Генетика пола.
Наиболее древней формой полового размножения является обоеполость, при которой особи способны производить как ♂ так и ♀ гаметы. С возникновением раздельнополости эта способность утрачивается, однако исследования показали, что даже при раздельнополости каждая особь остается потенциально двуполой, т.е. сохраняет тенденцию к развитию в ♂ или ♀ сторону.
В зависимости от времени оплодотворения выделяют 3 варианта определения пола:
эпигамное – пол определяется после оплодотворения. Пр.: морской червь (bonnelia), из яйца выходят личинки и в зависимости от того куда она попадет превращается в ♂ или ♀: свободноживущие - ♀, если на хоботок взрослой самки - ♂.
прогамное – до оплодотворения. Пр.: птицы и бабочки.
сингамное – в момент оплодотворения. Пр.: человек, млекопитающие.
ПОЛ – комплекс морфологических и физиологических особенностей организма, дающих возможность оставить потомство и передать ему наследственную информацию.
У человека 4 уровня половой дифференцировки:
генетический
на уровне гонад, формируются семенники или яичники
фенотипический
психологический
Генетический уровень связан с распределением половых хромосом. Большинство хромосом у ♀ и ♂ одинаковы – аутосомы, 1 пара хромосом различна – половые хромосомы.
♀ 44 А + ХХ→ 22 А + Х – гомокаметы
♂ 44 А + ХУ →22А + Х; 22 А + У – гетерогаметы
Рождение ♀ или ♂ равновероятно. У птиц и бабочек ♀ - гетерогаметны, ♂ - гомогаметны. У клонов т. Protener пол определяется количеством Х – хромосом.
Пол может определятся балансом половых хромосом и аутосом, например, у дрозофилы пол определяется следующим образом:
,
где Х – число Х-хромосом, А – число наборов аутосом
♀
♂
0.5 < I <1 – интерсекс
После оплодотворения у человека дифференцировка происходит на уровне гонад (внутренние железы и органы) до 5 недели эмбрионального развития. Формирование этих закладок (первичных гонад: вольфовых и мюллеровых протоков) обеспечивается Х-хромосомой и поэтому идет одинаково у ♂ и ♀.
≈ на 6 недели эмбрионального развития, если 2-ая хромосома – У, то в этой хромосоме на коротком плече находится ген, который и направляет развитие гонад по ♂ типу. Этот ген контролирует синтез регуляторного белка НУ – антигена, который направляет дифференцировку первичных гонад по ♂ типу.
Если НУ – антиген не нарабатывается, то развитие пойдет по ♀ типу (мозговое вещество первичной гонады не получит развития, а развиваться будет корковое вещество).
Дифференцировка внутренних и наружных половых органов из вольфовых и мюллеровых протоков связано с наработкой гормонов яичниками или семенниками. Если сформировались яичники, то вырабатываются эстрогены → из мюллеровых протоков формируются маточные трубы, матка, верхняя треть влагалища, формируются также антивольфов фактор → редукция вольфовых протоков.
Если гонада сформирована по ♂ типу, то синтезируются андрогены → из вольфовых протоков формируются семенные протоки, семенные пузырьки, клетки Сертоли; синтезируется антимюллеров фактор.
Если все эти элементы синтезируются в нужное время и в нужной последовательности, то происходит нормальное формирование ♂ и ♀ организма.
Отклонение в работе системы на различных уровнях могут вызвать неполное развитие ♂ фенотипа в организме ХУ – мужской псевдогермофродитизм (генотип - ♂,фенотип - ♀).
Пр.:
синдром тестикулярной феминизации. Аномалии не проявляются, фенотип - ♀. В детском возрасте синдром можно обнаружить, если при паховых грыжах находят семенники. У взрослых рост и пропорции тела типично женские, но ноги длиннее, оволосение по ♀ типу. Хорошо развиты молочные железы, аменорея, внутренние половые органы развиты плохо, наружные половые органы – нормальны. Андрогены секретируются в нормальных количествах, но дефектны рецепторы к этим гормонам.
адреногенитальный синдром – женский ложный гермафродитизм (генотип - ♀, фенотип - ♂)
Истинный гермафродитизм у человека очень редок.
Половой хроматин.
В интерфазных клетках млекопитающих под ядерной оболочкой располагается небольшое дисковидное тельце – половой хроматин (тельце Барра). В ♀ клетках обнаруживается в 100% случаев, в ♂ только в 5 – 10% ядер.
М. Лайон выдвинула гипотезу, что тельца Бара – инактивированная Х-хромосома, за счет чего происходит компенсация дозы генов в Х-хромосоме. Инактивация Х-хромосомы происходит в раннем эмбриогенезе => 1-ая хромосома – эухроматин, 2-ая – гетерохроматин.
Подсчет телец Бара используют как метод экспресс диагностики в судебной медицине, скриннинговых исследованиях.
Половое соотношение.
Теоретически должно наблюдаться равное количество ♂ и ♀, но фактически, когда мы анализируем вторичное соотношение получаем, что ♂>♀. Первичное соотношение подсчитать трудно.
С возрастом (третичное соотношение) ♀>♂, т.к. существует дифференциальная смертность (социальные и биологические причины). Анализ выкидышей, спонтанных абортов, мертворожденных показал, что 2♂:♀.
Существует несколько родословных:
10 поколений: из 35 рождений – 33♂
6 поколений: из 72 рождений – все ♀.
«Прогулки» и «прыжки» по хромосоме. Идентификация и изоляция генов.
Средний размер гена – 10-30 п.о.
Единица рекомбинации, размеры цитогенетических бэндов и субхромосомных фрагментов ДНК, измеряются миллионами п.о. Переход от этих крупных фрагментов к последовательностям ДНК сопоставим с размерами генов. Осуществляется это с помощью молекулярного клонирования, т.е. получения набора фаговых или космидных клонов, содержащих относительно небольшие последовательности, которые насыщают или полностью перекрывают крупный сегмент ДНК, который предположительно содержит идентифицируемый ген.
Затем проводят упорядочение клонов в соответствии с взаимным расположением инсерцированных в них фрагментов ДНК, осуществляя одновременно молекулярный анализ этих фрагментов с целью идентификации регуляторных или кодирующих областей генов.
Дальнейший поиск в библиотеках генов клонов, содержащих транскрибируемые последовательности ДНК осуществляют достаточно трудоемкими методами – «прогулки» или «прыжки» по хромосоме.
Прогулка по хромосоме (скользящее зондирование) заключается в последовательном отборе клонов, содержащих частично перекрывающиеся фрагменты ДНК из определенного района генома.
На 1 этапе проводят скрининг в библиотеке генов с помощью маркерной ДНК обязательно сцепленной с геномом. После нахождения положительных клонов, последние сами служат зондами для изоляции других клонов, содержащих перекрывающиеся последовательности ДНК, т.о. каждый раз отобранный фрагмент используют в качестве скриннирующего ДНК – зонда для последующего будущего поиска.
В результате получают набор клонированных фрагментов ДНК полностью перекрывающих область поиска гена. Группа подобных клонов носит название контигов.
С помощью физического картирования инсертированной ДНК в разных клонах удается точно установить степень перекрывания между соседними фрагментами и соответственно упорядочить положение клонов в контигах.
При скриннировании космидных библиотек с выявлением каждого нового клона к участку ДНК полностью перекрытому отобранными зондами в среднем + ≈ 20 тыс. п.о. Таким способом редко удается пройти более 200 – 300 тыс.п.о. в одном направлении из-за наличия в геноме повторяющихся и трудноклонируемых последовательностей ДНК.
Для преодоления этих ограничений и ускорения процесса поиска генных последовательностей американским исследователем Ф. Коллинзом, который является президентом программы «Геном человека», был разработан метод «прыжков» по хромосоме. Этот метод позволяет изолировать фрагменты ДНК, отстоящие от генома на 100 тыс. нуклеотидов (длина прыжка), не изолируя при этом все промежуточные последовательности ДНК.
Прыжки начинаются со стартового зонда, т.е. с последовательности гибридизующейся со сцепленными с геном ДНК – маркером. Предварительно геномная ДНК переваривается редкошипящей рестриктазой. В результате чего образуются большие фрагменты ДНК, соответствующие по длине одному «прыжку». Затем эти фрагменты переводятся в кольцевую форму, за счет искусственного присоединения к их концам небольшого маркерного гена, при этом концы рестрикт – фрагментов сближаются.
Кольцевые молекулы ДНК разрезают среднешипящими рестриктазами и из пула относительно небольших фрагментов ДНК отбирают те, которые содержат маркерный ген, а следовательно и окружающие его концевые участки исходных крупных фрагментов.
Отобранные последовательности клонируют в фаговых или космидных векторах, получают библиотеку генов концевых участков. Затем в этой библиотеке проводят скрининг конов, содержащих стартовый зонд, только в этих клонах, комплиментарные зонду последовательности соединены маркерным геном с последовательностями ДНК, отстоящими от стартового участка поиска на длину прыжка. При необходимости промежуточные сегменты ДНК также могут быть клонированы с использованием метода скользящего зондирования.
Остановимся на тех критериях, по которым можно отличить сегменты ДНК, являющимися частями генов, от любых других последовательностей. Условно эти критерии могут быть разделены на 3 группы:
исследуют структурные особенности генных последовательностей
основана на поиске функциональных участков генов
анализируют характер нуклеотидных последовательностей тестируемых фрагментов ДНК
Диагностику структурных участков генов осуществляют с помощью гибридизации с ДНК – зондами или прямым скриннированием библиотек ДНК.
Функциональная диагностика генов включает:
улавливание экзонов (exon trapping)
улавливание промотерных участков
улавливание полисигнальных последовательностей
перенос генов в иные конструкции и идентификация в них соответствующих транскриптов
Поиск генов может быть осуществлен путем прямого секвенирования крупных фрагментов ДНК с последующим компьютерным анализом нуклеотидной последовательности и сопоставление её с присутствующими в базах данных о найденных генов других видов живых существ.