09. Наследование, сцепленное с полом (Лекции по генетике)

Лекция 9НАСЛЕДОВАНИЕ, СЦЕПЛЕННОЕ С ПОЛОМ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru9.1. Половые хромосомы.Когда мы с вами скрещивали гетерозиготу с гомозиготой по рецессивному аллелю, т. е.проводили анализирующее скрещивание, то у нас получалось расщепление 1 : 1. Еслиничто не влияет на жизнеспособность гамет, оно выполняется с хорошей точностью.Хотелось бы напомнить вам, что есть еще одна очень хорошо всем нам известнаяситуация, в которой наблюдается генетическое расщепление потомства в отношении 1 : 1,выполняющееся с удивительной точностью. Это расщепление по полу. Между этимидвумя случаями существует полная аналогии.

Все мужчины всегда гетерозиготны, аженщины гомозиготны. Но не по аллелю какого-то гена, а по целой хромосоме. (Забегаявперед скажу, что у человека сам пол определяется, вернее, развитие в направлении тогоили иного пола переключается единственным геном, по которому мужчины гемизиготны,а у женщин его нет; но если принципиальное отсутствие рассматривать как нуль-аллель,то мужчины таки гетерозиготны, а женщины гомозиготны). У человека среди 23 паргомологичных хромосом одна пара является парой половых хромосом. (Хромосомы всехостальных пар называются аутосомами).

У всех женщин эта пара представленаодинаковыми гомологичными хромосомами, называемыми Х-хромосомами. У мужчин этапара гомологов неравная, и гомология между ними сводится к весьма небольшимучасткам. Одна из них представлена такой же Х-хромосомой, как и у женщин, другаяявляется так называемой Y-хромосомой, которая гораздо меньше. На Рисунке 9.1априведен кариотип человека – как он виден под микроскопом, а на рис. 9.1б - в«систематизированном» виде.1Рисунок 9.1 Кариотип человека: метафазная пластинка митоза (а) и метафазныехромосомы, подвергнутые дифференциальному окрашиванию и систематизированные (б)(по faculty.clintoncc.suny.edu и rushkolnik.ru sciencescribble.blogspot.com).Здесь черточки указывают на центромеру.

Видно, что Y- хромосома меньше по размеруи акроцентрическая – одно из плеч у нее очень короткое. Кроме того, можно заметить, чторисунок дифференциального окрашивания у нее ничем не напоминает таковой Ххромосомы, даже в прицентромерной части последней.Гомозигот по Y-хромосоме не бывает, так как два ее носителя – оба мужчины – не всостоянии скреститься друг с другом; и даже если бы были в состоянии, то такаягомозигота была бы лишена множества жизненно-необходимых генов, присутствующих вХ-хромосоме и отсутствующих в У-хромосоме. Две женщины также не в состояниискреститься, но они (будучи гомозиготами по Х-хромосоме) образуются за счет того, что умужчин половина гамет (сперматозоидов) несет Х-хромосому, которая встречается снесущей Х-хромосому гаметой (яйцеклеткой), образуемой женщиной (а женщины, какгомозиготы, не образуют других вариантов гамет). Другая половина сперматозоидов несетY-хромосому и, объединяясь с несущей Х-хромосому яйцеклеткой, дает мужчин.

Такимобразом, «скрещивание» между мужчинами и женщинами – всегда анализирующее ивсегда дает расщепление по фенотипу «пол» 1 : 1.В экспериментах с небольшой карповой рыбкой медаки японский ученый Ямамотосмог расширить это пространство возможностей. Посредством обработки половымигормонами на ранних стадиях развития ему удалось сменить пол рыб напротивоположный: обработка метилтестестероном самок превратила их в самцов,обработка эстроном самцов превратила их в самок. Если икра нормальных самок2оплодотворялась молоками самцов-генетических самок, то в потомстве получались толькосамки.

Если, наоборот, икра самок-генетически самцов оплодотворялась молокаминормальных самцов, то реализовывалась ситуация дигибридного скрещивания, исоотношение самцов к самкам приближалась к 3 : 1 (у этого вида носители кариотипа УУтакже развиваются в самцов).Пол, имеющих одинаковые половые хромосомы (в данном случае женский), называетсягомогаметным полом (поскольку он производит идентичные в отношении половыххромосом гаметы); пол, имеющий разные половые хромосомы, называетсягетерогаметным.Рисунок 9.2. Митотический кариотип самца (a) и самкb (b) Drosophila melanogaster (поcommons.wikipedia.org).Неравная пара половых хромосом Х и У, при гомогометном женском поле игетерогаметном мужском, имеется и у дрозофилы.

На Рисунке 9.2 приведен кариотипдрозофилы как его можно наблюдать в метафазе митоза. Слева показан кариотип самца,справа – самки. Слева мы видим четыре хросомы примерно одинаковые, две очень мелкие(заметим, что одинаковые хромосомы расположены в сближенных парах), а две,расположенные в правом нижнем углу, уникальны и не имеют пары. Мы можем сделатьправильный вывод, что это и есть половые хросомомы. На одну из них похожа параодинаковых хромосом, расположенных на правой фотографии (у самки) в правом женижнем углу. Мы делаем вывод, также правильный, что это Х-хромосомы.

Мы можемсообразить, что Y-хромосома акроцентрическая, так что мы видим две хроматиды,представленные одним плечом каждая, соединенные за центромеру, а Х-хромосомасубметацентрическая, причем сестринские хроматиды более короткого плеча выглядитналожившимися. И будем совершенно неправы в случае Y-хромосомы, которая у3дрозофилы метацентрическая! Однако она представлена в основном прицентромернымгетерохроматином, который у сестринских хроматид остаются соединенными когезинми вметафазе, как и центромеры, которые также представлены гетерохроматином. Поэтому уY-хромосомы мы видим не одно плечо, а два, и не одну хроматиду, а две склеенные.Можно заметить, что она действительно выглядет толще. Таким же свойством –сохранением соединения сестринских хроматид в метафазе – отличается и короткое плечоХ-хромосомы.

Две большие аутосомы метацентрические и неотличимы друг от друга,хромосома 4 очень мала.Рисунок 9.3. Политенные хромосомы слюнных желез личинки самца дрозофилы.Вверху слева для сравнения показан митотический кариотип в масштабе (по msg.ucsf.edu,с изм.).А на Рисунке 9.3 показан кариотип самца, но уже наблюдаемый на политенныххромосомах клеток слюнных желез (в правом верхнем углу приведен для масштабамитотический кариотип). Ядра клеток слюнных желез пребывают в интерфазе, поэтомуявление политении между прочим позволяет нам увидеть что делается в интерфазе схромосомами дрозофилы. Мы видим, что все хромосомы соединяются в центромерномрайоне в единый хромоцентр. Мы видим каждую хромосому в единственном числе,поскольку у двукрылых гомологи остаются спаренными и в интерфазном ядре.

По той жепричине мы видим, что Х-хромосома несколько тоньше прочих, поскольку она4представлена единственной хроматидой, а не двумя. И у нас снова возникли проблемы скоротким плечом Х-хромосомы и Y-хромосомой, которых мы не видим вообще – почему?Дело в том, что, будучи представлены гетерохроматином, практически не имеющем генов,в политенных хромосомах они остаются недореплицированными и скрываются где-то врайоне хромоцентра.

Как видим, у дрозофилы Y-хромосома не меньше, а даже больше Ххромосомы, но отличается «нехорошим поведением», связанным с тем, что она (как и учеловека) практически пуста в генетическом отношении.Распространенный нами на примере человека и дрозофилы вариант хромосомногоопределения пола весьма распространен, хотя лежащие за ним молекулярные механизмыбывают поразительно различными – в частности, это так для двух названных объектов.Эти механизмы, а также какие еще бывают варианты определения пола, мы рассмотримдетально на следующих лекциях. Сейчас отметим, что у таких довольно популярных илетучих объектов опять-таки из числа позвоночных и насекомых, как птицы ичешуекрылые, ситуация зеркально противположна – гомогаметным является мужскойпол, гетерогаметным – женский.

У них принято обозначать специфическую самочьюхромосому буквой W, а другую половую хромосому, имеющуюся в двух копиях у самцови в одной у самок – буквой Z. Некоторым ученым такой разнобой в обозначенияхожидаемо не нравится, и они предпочитают и в этом случае обозначать эти хромосомысоответственно буквами Y и Х.Но сперва необходимо рассмотреть основные особенности, которые привносит внаследование феномен половых хромосом, поскольку они важны и сами по себе (вполовых хромосомах содержится много важных генов), и для понимания самихмеханизмов определения пола.9.2.

Наследование, сцепленное с полом.Х-хромосома человека содержит в 20 раз больше генов, чем Y-хромосома. В результатеаллели большинства локусов Х-хромосомы у самцов (мужчин) находятся в гемизиготе, т.е. в единственной копии, не имеющей своей визави, а у самок (женщин) имеется по двааллеля, полученных от отца и от матери, которые могут оказаться в гомозиготе игетерозиготе. Это приводит к определенным особенностям наследования признаков,кодируемых генами, расположенными в половых хромосомах, иногда их довольнонестрого называют перекрестным наследованием, или крисс-кросс-наследованием.Проще всего по традиции рассмотреть это явление на примере дрозофилы.