5.4. Методи регулювання статі тварин, визначення статі ранніх ембріонів

Отримання тварин визначеної статі є не тільки біологічною, а й практичною проблемою. Це особливо важливо для молочної худоби, в якої головна господарсько-корисна ознака −молочна продуктивність − належить до тих, що обмежені статтю. Тому виникає завдання щодо регулювання співвідношення статі, що необхідно для ефективного розведення тварин.

Статеві відмінності стосуються багатьох ознак, але в основі детермінації і диференціації статі у ссавців лежить хромосомна теорія спадковості.

Детермінація і диференціація статі. У соматичних клітинах телиці або корови є 58 аутосом і дві Х-хромосоми, а в соматичних клітинах бугая − 58 аутосом, одна Х-хромосома і одна У-хромосома. Іншими словами, корови мають статеві хромосоми XX, бугаї - ХУ. Решта хромосом - аутосоми - у тварин різної статі однакові. Статеві хромосоми відрізняються від аутосом формою, розмірами і структурою. їх легко ідентифікувати і відокремити від аутосом. У ссавців спадкоємство статі відбувається за типом моногібридного аналізуючого схрещування. Поведінка статевих хромосом під час мейозу є механізмом, що саморегулюється. В процесі тривалої еволюції на основі цього механізму із покоління в покоління у популяціях тварин підтримується співвідношення гамет з X- і Y-хромосомою 1:1, а отже, і співвідношення статі 1:1.

Які статеві хромосоми перейдуть із гамети до зиготи, ознаки такої статі і будуть властиві тварині. Статеві відмінності в каріотипі можуть бути виражені дуже просто: на додаток до основного набору генів, однакового у самців і самок, самці ссавців відрізняються однією унікальною хромосомою У, властивою лише їм. Проте наявність тільки цієї унікальної хромосоми із 60 хромосом великої рогатої худоби призводить до яскраво вираженого статевого диморфізму, тобто прояву в індивідуумів різної статі, що відносяться до одного виду, добре видимих відмінностей за рядом ознак. Це призводить до суперечності механізму визначення статі: прояв яскраво вираженого статевого диморфізму за незначних генетичних відмінностей між статями.

Є багато ознак, за якими розрізняються тварини різної статі. У ссавців, у тому числі й у великої рогатої худоби, в основномувиділяють первинні і вторинні ознаки.

До первинних статевих ознак відносять ті морфологічні і фізіологічні ознаки, що забезпечують утворення гамет та їх злиття в процесі запліднення. До них можна віднести гонадою і статеві шляхи самок і самців. За створення первинних статевих ознак відповідальні лише статеві хромосоми. Під детермінацією, або власне визначенням статі, зазвичай розуміють генетичний контроль статі гонади. Іншими словами, статеві відмінності в каріотипі суттєві або значимі лише в первинному або гонадному визначенні статі.

У ссавців гонади закладаються в онтогенезі однаковими у індивідів різної статі. За відсутності в ядрі клітини Y-хромосоми недиференційовані гонади ембріона розвиваються в яєчники. Якщо в наборі хромосом раннього ембріона є У-хромосома, напрям статевого розвитку змінюється, і гонади, що раніше були недиференційовані, розвиваються в сім'яники. Як установлено, гени, що містяться в У-хромосомі, необхідні для сперматогенезу.

Доведено, що стать детермінують не статеві хромосоми як структурні спадкові одиниці, а локуси і локалізовані в них гени. Так, функція детермінації сім'яників приписується локусу в короткому плечі У-хромосоми, в якому знаходиться Н-Y-ген. Як тільки диференціювання гонад у ембріона визначене, функція цього андроспецифічного гена і його продукту - Н-Y-антигени практично виконана і ген переходить в інактивний стан. Після цього головну роль відіграють вторинні статеві ознаки, що безпосередньо не беруть участі в процесах гаметогенеза і запліднення, але пов'язані із статевим розмноженням і забезпечують відтворення потомства. У самок ссавців серед вторинних статевих ознак особливо виділяється молочна залоза.

Проте у вторинній або екстрагенній детермінації статі провідну роль відіграє чоловічий стероїдний гормон тестостерон. Він відповідальний за розвиток сім'явивідної протоки з вольфового канальця і зовнішніх статевих органів. Надалі під впливом тестостерону розвивається система зовнішніх статевих органів самця.

Доказом того, що розвиток вторинних статевих ознак контролюється статевими гормонами, є зміна ознак після кастрації.

Класичні досліди, проведені на початку 20-х років академіком М.М. Завадовським, переконливо продемонстрували, що індиферентний стан ссавців ближче до жіночої статі, ніж до чоловічої.

У розвитку жіночих статевих протоків гормони не беруть участі. Цей механізм − залежність розвитку чоловічих і незалежність розвитку жіночих протоків від гормонів − забезпечує нормальний ембріональний розвиток ссавців, у яких жіночі гормони легко проникають через плаценту або виробляються в ній. Вплив естрогену на статеву диференціацію привів би до блокування розвитку статевих ознак самців в утробі матери.

Таким чином, розвиток характерних для самців статевих ознак пов'язаний з послідовною дією двох факторів: генетичного, або гонадного, і гормонального, або екстрагонадного.

Перші ознаки диференціації статі у ссавців виявляються в ембріогенезі дуже рано. Такою ознакою є статевий хроматин, або тільце Барра. Статевий хроматин можна виявити в інтерфазних ядрах клітини, в яких тільце Барра міститься у вигляді забарвленого дископодібного тільця. Тільце Барра, як правило (60...70%), є в ядрі клітин особин жіночої статі. Воно відсутнє або міститься лише в небагатьох ядрах (5... 10%) у особин чоловічої статі. Внаслідок цього тільце Барра дістало ще назву − жіночий статевий хроматин.

У більшості випадків виявлення в ядрі інтерфазної клітини тілець Барра вважається початком статевої диференціації. Так, у миші в соматичних клітинах інактивація Х-хромосом починається з 3-ї доби, в тканинах ембріона − на 6-ту добу ембріонального розвитку. У свині статевий хроматин можна виявити у ембріона на стадії 20...45 клітин.

Слід зазначити, що у всіх видів ссавців утворення статевого хроматину суттєво випереджає диференціювання гонад. Тому статевий хроматин може бути раннім маркером статі, хоча він не має відношення до детермінації і диференціації статі.

Іншою ознакою статі, що рано виявляється в ембріогенезі, є Н-Y-антиген. Було встановлено унікальну еволюційну консервативність цього мембранного гена, що привело до розуміння його головної ролі в детермінації статі − у особин гетерогаметної статі диференціація гонад відбувається під впливом Н-Y-антигена, причому диференціація сім'яника в ембріогенезі виникає раніше, ніж диференціація яєчника. Тому антиген Н-Y, скеровуючи морфогенез сім'яників, визначає первинну, або гонадну, стать ссавця. Якщо видалити Н-Y-антиген, гонадні клітини ХY приступають до морфогенезу яєчників.

Експериментальні дані, отримані на лабораторних тваринах,були підтверджені й у дослідах на великій рогатій худобі. Так, недиференційована ембріональна гонада великої рогатої худоби з каріотипом XX, поміщена в поживне середовище клітин Дауді, що містить до 5% білків у формі Н-Y-антигена, диференціювалася в сім'яник, причому в більш ранні терміни, ніж за нормального ембріогенезу.

Зручною моделлю, на якій можна вивчати детермінацію і диференціацію статі, є фримартини великої рогатої худоби. Якщо від корів одержують різностатевих двійнят, то в середньому 90% телиць залишаються стерильними, а бугайці народжуються нормальними. Теличка з різностатевих двійнят фенотипічно не відрізняється від нормальних телиць, та безпліддя виникає через те, що її гонади являють собою овотестис, тобто статева залоза складається з більшої частки сім'яникової тканини і меншої частки оваріальної.

Первинна причина цієї стерильності була з'ясована ще в 1916 р. Р. F.Lillie. При подвійній тільності спостерігалося зростання зародкових оболонок на ранній стадії ембріонального розвитку і внаслідок цього − синхоріальний судинний анастомоз, що приводить до загального кровообігу. Фенотипово геніталії фримартинів нормальні, але замість похідних мюллерової протоки (матка і фаллопієві труби), які або рудиментарні, або відсутні зовсім, часто помітні похідні Вольфового протоку (епідидиміс, сім'япровід).

Нині з'ясовано, що в гонадах фримартини виявляється Н-Y-антиген, що пояснюється переміщенням по загальному кровоносному руслу Н-Y-антигена від бугайця-близнюка. Н-Y-антиген зв'язується з рецепторами клітин яєчника і в період ембріогенезу спрямовує його диференціацію у бік створення сіменника.

Із сказаного не слід робити висновок, що стать є моногенною ознакою івизначається лише одним геном. Стать − це складна ознака, обумовлена полігенною спадковістю. У детермінації статі, гонади, гаметогенезу і запліднення беруть участь багато генів, що взаємодіють між собою, визначаючи послідовність активності. Статеві хромосоми ссавців в процесі тривалої еволюції відіграють особливу роль у формуванні статі, забезпечуючи альтернативне спадкоємство її при полігенному визначенні його ознак. У статевих хромосомах сконцентровані гени, що детермінують і диференціюють стать. До них, насамперед, відноситься ген регулятор Н-Y у Y-хромосомі, що і виконує головну роль в детермінації чоловічої статі.