Модуль 5. Генетика пола Глава 12. Генетика формирования пола

Автор: Шкурат Татьяна Павловна

12.1. Половые хромосомы

Половые хромосомы часто отличаются друг от друга, то есть они гетероморфные. Среди 23-х пар человеческих хромосом есть одна пара половых – то есть Х и Y-хромосомы. У женщин две Х-хромосомы, у мужчин Х- и Y-хромосома. Y-хромосома – самая вариабельная хромосома генома. В отличие от других акроцентриков не имеет спутников. У человека она генетически почти пустая (ген волосатости ушей и перепонок между пальцами ног). У других видов может содержать много активных генов – у гуппи – около 30 Y–генов окраски самцов (и только 1 аутосомный ген).

Drosophila. Содержит 9 генов: 6 определяют фертильность самцов, 3 bobbed кластер генов рРНК. Активность bb генов приводит к формированию ядрышка. Ядрышкообразующий bb ген есть и в Х-хромосоме - - сайт спаривания Х и Y хромосом – сайт collohaes.Ответственными за конъюгацию являются короткие последовательности нуклеотидов (240 п.н.), расположенные между генами рРНК в Х и Y – хромосомах. Удаление bb локуса - нет конъюгации половых хромосом.

Ещё один ген - crystal- влияет на поведение хромосом в мейозе. Его делеция – нарушается расщепление хромосом в мейозе.

У дрозофилы 6 факторов фертильности самцов. Из них 3 очень большие – занимают по 10% Y- хромосомы каждый, т.е. по 4000 т.п.н.

В составе ДНК Y-хромосомы 2 типа последовательностей:

-Y – специфичные – семейства из 200-2000 копий, организованы в кластеры тандемно повторенных единиц длиной 200-400 п.н. Расположены, вероятно, в петлях.

-Y-ассоциированные (встречаются в других хромосомах).

На стрекозах показано, что форма XY эволюционно более поздняя, чем ХО. Другая точка зрения- половые хромосомы произошли от обычной пары аутосом, несущей гены, определяющие пол. Поэтому у одних видов (более примитивных) Y-хромосома такая же по размерам, как и Х –хромосома, конъюгирует с ней полностью или частично, участвует в кроссинговере. А у других видов – она маленькая, с Х-хромосомой соединяется конец в конец, без кроссинговера. В процессе эволюции Y- хромосома почему-то теряет активные гены, деградирует и исчезает, потому форма XY предшествует ХО. 

Х-хромосома и дозовая компенсация

В 1949 г Барр и Бертрам обнаружили в ядрах нейронов кошки интенсивно окрашенные тельца, названные тельцами Барра. Они представляют собой неактивную Х-хромосому. Таким образом, у самок млекопитающих транскрипционно активна только одна Х-хромосома – это феномен компенсации дозы гена. Факультативный гетерохроматин обогащен повторами типа LINE, которые способствуют конденсации хроматина.

В ходе раннего развития самок млекопитающих обе Х-хромосомы активны. На предимплантационных стадиях развития эмбриона происходит инактивация Х-хромосомы, унаследованной от отца. Во время имплантации зародыша происходит реактивация и последующая инактивация случайно либо отцовской, либо материнской Х-хромосомы. Иногда наблюдается предпочтительная инактивация отцовской Х-хромосомы (у сумчатых). Процесс инактивации контролируется сложным локусом Х-хромосомы – центром инактивации Xiс. Данный локус содержит ген Xist (Х inactive specific transcript). Продуктом этого гена является некодирующая ядерная РНК размером 16 тн.

Ген Xist имеет 3 промотора – Р0, Р1 и Р2. Если транскрипция идет с прототоров Р1 или Р2 – образуется стабильный продукт размером 15 т.п.н., если с промотора Р0 – возникает нестабильный продукт. Переключение транскрипции с Ро на Р1/Р2 коррелирует с началом инактивации Х-хромосомы. В функционально активной Х-хромосоме ген Xist инактивирован за счет метилирования ЦГ-динуклеотидов в промоторе гена.

РНК гена Xist не способна переходить с одной Х-хромосомы на другую. РНК Xist присоединяет различные белки, образуя комплексы, которые распределяются вдоль всей Х-хромосомы, запуская ее инактивацию. Они, несомненно, принимают участие в установлении неактивного состояния, так как Х-хромосома, у которой отсутствует район гена Xist, никогда не инактивируется. Если же ген Xist искусственно перенести на аутосому, то она инактивируется.

В период инициации инактивации продукт гена Xist становится стабильным и распространяется вдоль по всей длине Х-хромосомы. Это подавляет транскрипцию генов и приводит к модификации гистонов. После отделения линии герминальных клеток в соматических клетках происходит гиперметилирование инактивируемой хромосомы; неактивное состояние становится необратимым и наследуется в ряду клеточных поколений. В линии герминальных клеток самок ДНК инактивированной Х-хромосомы остается неметилированной и впоследствии хромосома реактивируется незадолго до вхождения клеток в мейоз. В зрелых ооцитах обе Х-хромосомы активны.

Выбор того, какая Х-хромосома инактивируется, случаен, но это может регулироваться аллелями Xce (X-linced X controlling element). На линиях мышей было обнаружено три аллеля Хсе – "слабый" Xcea, "промежуточный" Xceb и "сильный" Xcec. В гетерозиготах наиболее часто инактивируются те Х-хромосомы, которые несут более слабый аллель. У гомозигот выбор происходит случайно. Xce локус расположен вблизи Xic. Предполагается, что Xce связывают транс-факторы, регулирующие работу генов в Xic, предопределяя выбор между Х-хромосомами.

Ряд генов неактивной Х-хромосомы ускользает от инактивации. Например, избегает инактивации район спаривания с Y-хромосомой. В данном локусе находятся гены, присутствующие и на Х- и на Y-хромосомах: то есть и у XY-самцов таких генов по паре, и у XX-самок их столько же — этим генам не нужна компенсация дозы.

Y-хромосома человека

Y-хромосома является наименьшей по размеру из 24 хромосом у человека и содержит около 2-3% ДНК гаплоидного генома (60 млн. п.н.). Из всего объема ДНК Y-хромосомы на данный момент секвенировано 21.8 Mb. Короткое плечо Y-хромосомы (Yp) содержит примерно 11 Mb, а длинное плечо (Yq) - 40 Mb ДНК, из которых около 7 Mb приходятся на эухроматиновую часть Yq и около 3 Mb ДНК на центромерную область хромосомы. Большая часть (~60%) длинного плеча Y-хромосомы представляет собой функционально неактивный гетерохроматин, имеющий размер около 24 Mb.

В Y-хромосоме выделяют несколько областей:

- псевдоаутосомные области (PAR1 и 2 – 1 – короткое плечо; 2 - длинное);

- эухроматиновую область короткого плеча (Yp11);

- эухроматиновую область проксимальной части длинного плеча (Yq11);

- гетерохроматиновую область дистальной части длинного плеча (Yq12);

- область прицентромерного гетерохроматина.

Y-хромосома содержит около 100 функциональных генов. Из-за наличия на Х и Y-хромосомах (на теломерах) гомологичных PAR-регионов, половые хромосомы регулярно конъюгируют и рекомбинируют участками этих регионов в зиготене и пахитене профазы I мейоза. Однако большая часть (~95%) Y-хромосомы не принимает участия в рекомбинации, и поэтому называется нерекомбинирующей областью Y-хромосомы (NRY - Non Recombinant Region Y chromosome).

Гетерохроматиновая область длинного плеча Y-хромосомы является генетически инертной и содержит различные типы повторов, в том числе высокоповторяющиеся последовательности двух семейств DYZ1 и DYZ2, каждый из которых представлен приблизительно 5000 и 2000 копиями соответственно.

На основе сравнительного анализа генов гоносом X и Y в Y-хромосоме выделяют три группы генов:

PAR-гены (PAR - Pseudoautosomal Region; гены псевдоаутосомных областей PAR1и PAR2), локализованные в теломерных областях Y-хромосомы;

2. X-Y гомологичные гены, локализованные в нерекомбинирующих областях Yp и Yq;

3. Y-специфичные гены, расположенные в нерекомбинирующих областях Yp и Yq.

Первая группа представлена генами псевдоаутосомных областей (регионов). Они являются идентичными для X- и Y-хромосом и наследуются как аутосомные гены. PAR1-регион расположен на конце короткого плеча Y-хромосомы, он больше по размеру, чем PAR2-регион, его размер приблизительно оценивается в 2,6 Mb. Так как делеции PAR1 приводят к нарушениям конъюгации гоносом во время мейоза у мужчин и могут привести к мужскому бесплодию, предполагается, что PAR-регионы имеют существенное значение для нормального протекания сперматогенеза у мужчин.

Вторая группа генов содержит X-Y-гомологичные, но не идентичные гены, которые локализованы в нерекомбинирующих районах Y-хромосомы (на Yp и Yq). В нее включены 10 генов, представленных на Y-хромосоме одной копией, большинство из них экспрессируются у человека во многих тканях и органах, включая яички и предстательную железу. До сих пор неизвестно, являются ли эти X-Y-гомологичные гены функционально взаимозаменяемыми.

Третью группу генов составляют 11 генов, которые расположены в нерекомбинирующем районе Y-гоносомы (NRY). Все эти гены, за исключением гена SRY (Sex-Determining Region Y Chromosome, пол-детерминирующий регион Y-хромосомы), представленного одной копией, являются мультикопийными, и их копии расположены на обоих плечах Y-хромосомы. Некоторые из них являются генами-кандидатами на AZF-фактор (Azoospermia factor, или фактор азооспермии).

Половые хромосомы часто отличаются друг от друга, то есть они гетероморфные. Среди 23-х пар человеческих хромосом есть одна пара половых – то есть Х и Y-хромосомы. У женщин две Х-хромосомы, у мужчин Х- и Y-хромосома. Y-хромосома – самая вариабельная хромосома генома. В отличие от других акроцентриков не имеет спутников. У человека она генетически почти пустая (ген волосатости ушей и перепонок между пальцами ног). У других видов может содержать много активных генов – у гуппи – около 30 Y–генов окраски самцов (и только 1 аутосомный ген).

Drosophila . Содержит 9 генов: 6 определяют фертильность самцов, 3 bobbed кластер генов рРНК. Активность bb генов приводит к формированию ядрышка. Ядрышкообразующий bb ген есть и в Х-хромосоме - - сайт спаривания Х и Y хромосом – сайт collohaes.Ответственными за конъюгацию являются короткие последовательности нуклеотидов (240 п.н.), расположенные между генами рРНК в Х и Y – хромосомах. Удаление bb локуса  -- нет конъюгации половых хромосом.

Ещё один ген  - crystal- влияет на поведение хромосом в мейозе. Его делеция – нарушается расщепление хромосом в мейозе.

У дрозофилы 6 факторов фертильности самцов. Из них 3 очень большие – занимают по 10% Y- хромосомы каждый, т.е. по 4000 т.п.н.

В составе ДНК Y-хромосомы 2 типа последовательностей:

-Y – специфичные – семейства из 200-2000 копий, организованы в кластеры тандемно повторенных единиц длиной 200-400 п.н. Расположены, вероятно, в петлях.

-Y-ассоциированные (встречаются в других хромосомах).

На стрекозах показано, что форма XY эволюционно более поздняя, чем ХО. Другая точка зрения- половые хромосомы произошли от обычной пары аутосом, несущей гены, определяющие пол. Поэтому у одних видов (более примитивных) Y-хромосома такая же по размерам, как и Х –хромосома, конъюгирует с ней полностью или частично, участвует в кроссинговере. А у других видов – она маленькая, с Х-хромосомой соединяется конец в конец, без кроссинговера. В процессе эволюции Y- хромосома почему-то теряет активные гены, деградирует и исчезает, потому форма XY предшествует ХО.   

Х-хромосома и дозовая компенсация

В 1949 г Барр и Бертрам обнаружили в ядрах нейронов кошки интенсивно окрашенные тельца, названные тельцами Барра . Они представляют собой неактивную Х-хромосому. Таким образом, у самок млекопитающих транскрипционно активна только одна Х-хромосома – это феномен компенсации дозы гена . Факультативный гетерохроматин обогащен повторами типа LINE, которые способствуют конденсации хроматина.

В ходе  раннего развития самок млекопитающих обе Х-хромосомы активны. На предимплантационных стадиях развития эмбриона происходит инактивация Х-хромосомы, унаследованной от отца. Во время имплантации зародыша происходит реактивация и последующая инактивация случайно либо отцовской, либо материнской Х-хромосомы. Иногда наблюдается предпочтительная инактивация отцовской Х-хромосомы (у сумчатых). Процесс инактивации контролируется сложным локусом Х-хромосомы – центром инактивации Xiс. Данный локус содержит ген Xist (Х inactive specific transcript). Продуктом этого гена является некодирующая ядерная РНК размером 16 тн.

Ген Xist имеет 3 промотора – Р0, Р1 и Р2. Если транскрипция идет с прототоров Р1 или Р2 – образуется стабильный продукт размером 15 т.п.н., если с промотора Р0 – возникает нестабильный продукт. Переключение транскрипции с Ро на Р1/Р2 коррелирует с началом инактивации Х-хромосомы. В функционально активной Х-хромосоме ген Xist инактивирован за счет метилирования ЦГ-динуклеотидов в промоторе гена.

РНК гена Xist не способна переходить с одной Х-хромосомы на другую. РНК Xist присоединяет различные белки, образуя комплексы, которые распределяются вдоль всей Х-хромосомы, запуская ее инактивацию. Они, несомненно, принимают участие в установлении неактивного состояния, так как Х-хромосома, у которой отсутствует район гена Xist, никогда не инактивируется. Если же ген Xist искусственно перенести на аутосому, то она инактивируется.

В период инициации инактивации продукт гена Xist становится стабильным и распространяется вдоль по всей длине Х-хромосомы. Это подавляет транскрипцию генов и приводит к модификации гистонов. После отделения линии герминальных клеток в соматических клетках происходит гиперметилирование инактивируемой хромосомы; неактивное состояние становится необратимым и наследуется в ряду клеточных поколений. В линии герминальных клеток самок ДНК инактивированной Х-хромосомы остается неметилированной и впоследствии хромосома реактивируется незадолго до вхождения клеток в мейоз. В зрелых ооцитах обе Х-хромосомы активны.

Выбор того, какая Х-хромосома инактивируется, случаен, но это может регулироваться аллелями Xce (X-linced X controlling element ). На линиях мышей было обнаружено три аллеля Хсе – "слабый" Xcea, "промежуточный" Xceb и "сильный" Xcec. В гетерозиготах наиболее часто инактивируются те Х-хромосомы, которые несут более слабый аллель. У гомозигот выбор происходит случайно. Xce локус расположен вблизи Xic. Предполагается, что Xce связывают транс-факторы, регулирующие работу генов в Xic, предопределяя выбор между Х-хромосомами.

Ряд генов неактивной Х-хромосомы ускользает от инактивации. Например, избегает инактивации район спаривания с Y-хромосомой. В данном локусе находятся гены, присутствующие и на Х- и на Y-хромосомах: то есть и у XY-самцов таких генов по паре, и у XX-самок их столько же — этим генам не нужна компенсация дозы.

Y- хромосома человека

Y-хромосома является наименьшей по размеру из 24 хромосом у человека и содержит около 2-3% ДНК гаплоидного генома (60 млн. п.н.). Из всего объема ДНК Y-хромосомы на данный момент секвенировано 21.8 Mb. Короткое плечо Y-хромосомы (Yp) содержит примерно 11 Mb, а длинное плечо (Yq) - 40 Mb ДНК, из которых около 7 Mb приходятся на эухроматиновую часть Yq и около 3 Mb ДНК на центромерную область хромосомы. Большая часть (~60%) длинного плеча Y-хромосомы представляет собой функционально неактивный гетерохроматин, имеющий размер около 24 Mb.

В Y-хромосоме выделяют несколько областей:

- псевдоаутосомные области (PAR1 и 2 – 1 – короткое плечо; 2 - длинное);

- эухроматиновую область короткого плеча (Yp11);

- эухроматиновую область проксимальной части длинного плеча (Yq11);

- гетерохроматиновую область дистальной части длинного плеча (Yq12);

- область прицентромерного гетерохроматина.

Y-хромосома содержит около 100 функциональных генов. Из-за наличия на Х и Y-хромосомах (на теломерах) гомологичных PAR-регионов, половые хромосомы регулярно конъюгируют и рекомбинируют участками этих регионов в зиготене и пахитене профазы I мейоза. Однако большая часть (~95%) Y-хромосомы не принимает участия в рекомбинации, и поэтому называется нерекомбинирующей областью Y-хромосомы (NRY - Non Recombinant Region Y chromosome).

Гетерохроматиновая область длинного плеча Y-хромосомы является генетически инертной и содержит различные типы повторов, в том числе высокоповторяющиеся последовательности двух семейств DYZ1 и DYZ2, каждый из которых представлен приблизительно 5000 и 2000 копиями соответственно.

На основе сравнительного анализа генов гоносом X и Y в Y-хромосоме выделяют три группы генов:

1. PAR-гены (PAR - Pseudoautosomal Region; гены псевдоаутосомных областей PAR1и PAR2), локализованные в теломерных областях Y-хромосомы;

2. X-Y гомологичные гены, локализованные в нерекомбинирующих областях Yp и Yq;

3. Y-специфичные гены, расположенные в нерекомбинирующих областях Yp и Yq.

Первая группа представлена генами псевдоаутосомных областей (регионов). Они являются идентичными для X- и Y-хромосом и наследуются как аутосомные гены. PAR1-регион расположен на конце короткого плеча Y-хромосомы, он больше по размеру, чем PAR2-регион, его размер приблизительно оценивается в 2,6 Mb. Так как делеции PAR1 приводят к нарушениям конъюгации гоносом во время мейоза у мужчин и могут привести к мужскому бесплодию, предполагается, что PAR-регионы имеют существенное значение для нормального протекания сперматогенеза у мужчин.

Вторая группа генов содержит X-Y-гомологичные, но не идентичные гены, которые локализованы в нерекомбинирующих районах Y-хромосомы (на Yp и Yq). В нее включены 10 генов, представленных на Y-хромосоме одной копией, большинство из них экспрессируются у человека во многих тканях и органах, включая яички и предстательную железу. До сих пор неизвестно, являются ли эти X-Y-гомологичные гены функционально взаимозаменяемыми.

Третью группу генов составляют 11 генов, которые расположены в нерекомбинирующем районе Y-гоносомы (NRY). Все эти гены, за исключением гена SRY (Sex-Determining Region Y Chromosome, пол-детерминирующий регион Y-хромосомы), представленного одной копией, являются мультикопийными, и их копии расположены на обоих плечах Y-хромосомы. Некоторые из них являются генами-кандидатами на AZF-фактор (Azoospermia factor, или фактор азооспермии).

О точных функциях большинства этих генов известно мало. Продукты, кодируемые генами нерекомбинирующего региона Y-хромосомы, выполняют различные функции, например, среди них имеются факторы транскрипции, цитокиновые рецепторы, протеинкиназы и фосфатазы, которые могут влиять  на клеточную пролиферацию и/или передачу сигналов в клетке. Все эти гены и кодируемые продукты требуют дальнейшего изучения в плане их возможной вовлеченности в контроль репродуктивной функции и патогенез опухолей яичка и предстательной железы у мужчин.

12.2. Х - сцепленный тип наследования

Гены, локализованные в хромосоме X, так же как и при аутосомном типе наследования, могут быть доминантными и рецессивными. Главной особенностью Х-сцепленного наследования является отсутствие передачи сыну соответствующего гена отца, так как мужчины, будучи гемизиготными (имеют только одну хромосому X), передают свою хромосому Х только дочерям. Если в хромосоме Х локализуется доминантный ген, такой тип наследования называется Х-сцепленным доминантным ( рис. 12.1.). Для него характерно.

• если болен отец, то все его дочери будут больны, а все сыновья здоровы;

• дети больны только в том случае, если болен один из родителей;

• у здоровых родителей все дети будут здоровы;

• заболевание прослеживается в каждом поколении;

• если мать больна, то вероятность рождения больного ребенка независимо от пола равна 50%:

• болеют как мужчины, так и женщины, но в целом среди больных женщин в 2 раза больше.

При локализации в хромосоме Х рецессивного гена тип наследования называется X-сцепленным рецессивным . Для него характерно:

• болеют преимущественно лица мужского пола;

• заболевание наблюдается у мужчин - родственников пробанда по материнской линии;

• сын никогда не наследует заболевание отца:

• если пробанд женщина, ее отец обязательно болен, а мать - гетерозиготная носительница и бо­леют все ее сыновья;

• в браке больных мужчин и здоровых гомозиготных женщин все дети будут здоровы, но у доче­рей могут быть больные сыновья;

• в браке здорового мужчины и гетерозиготной женщины вероятность рождения больного ребен­ка составит 50% для мальчиков и 0% для девочек.

Рисунок 12.1. Пример родословной с Х-сцепеленным доминантным типом наследования

Примеры сцепленного с полом наследования:

Х-сцепленное наследование – гемофилия (рис. 12.2.), дальтонизм.

Благодаря хорошо известной родословной удалось проследить наследование гена гемофилии от английской королевы Виктории. Виктория и ее муж были здоровы. Известно также, что никто из ее предков не страдал гемофилией. Наиболее вероятно, что возникла мутация в гамете одного из родителей Виктории. Вследствие этого королева Виктория стала носительницей гена гемофилии и передала его многим своим потомкам. Все потомки мужского пола, которые получили от Виктории Х-хромосому с мутантным геном, страдали тяжелым недугом – гемофилией.

У-сцепленное наследование – гипертрихоз (повышенное оволосение ушной раковины), перепонки между пальцами.

Х- и У-сцепленное наследование – общая цветовая слепота.

Рисунок 12.2. Родословная семьи с гемофилией (Х-сцепленный рецессивный тип наследования)

Один из сцепленных с полом рецессивных генов вызывает особый тип мышечной дистрофии (тип Дюмена). Эта дистрофия проявляется в раннем детстве и постепенно ведет к инвалидности и смерти ранее 20-летнего возраста. Потому мужчины с дистрофией Дюмена не имеют потомства, а женщины гетерозиготные по гену этого заболевания, вполне нормальны. Среди доминантных признаков, связанных с Х-хромосомой, можно указать на ген, который вызывает недостаточность органического фосфора в крови. В результате, при наличии этого гена, часто развивается рахит, устойчивый к лечению обычными дозами витамина А. В этом случае картина сцепленного с полом наследования заметно отличается от того хода передачи по поколениям, который был описан для рецессивных болезней. В браках девяти больных женщин со здоровыми мужчинами среди детей была половина больных девочек и половина мальчиков. Здесь, в соответствии с характером наследование доминантного гена, в Х-хромосомах произошло расщепление в отношении 1:1:1:1. Другим примером доминантного гена, локализованного в Х-хромосоме человека, может послужить ген, вызывающий дефект зубов, приводящий к потемнению эмали зубов.