- •Тема № 1. Молекулярно-генетический уровень организации наследственного материала.
- •Тема № 2. Хромосомный и геномный уровни организации наследственного материала.
- •Тема № 3. Экспрессия генов у про- и эукариот.
- •Тема № 4. Клеточный уровень организации живого.
- •1. Органеллы общего назначения (встречаются во всех видах клеток):
- •Тема № 5. Обменные процессы в жизненном цикле клетки.
- •1. Постмитотический или пресинтетический период g1.
- •2. Синтетический период s:
- •3. Постсинтетический, или премитотический период g2:
- •Тема № 6. Генетика как наука. Закономерности наследования признаков.
- •Решение ситуационных задач. Задачи на моногибридное скрещивание.
- •Задача на анализирующее скрещивание.
- •Задача на дигибридное скрещивание.
- •Задача на полигибридное скрещивание.
- •Задача на промежуточное наследование.
- •Тема № 7. Сцепленное наследование признаков.
- •Тема № 8. Биология и генетика пола.
- •Тема № 9. Изменчивость организмов.
- •Тема № 10. Методы антропогенетики. Наследственные болезни человека.
- •Тема № 11. Размножение организмов.
- •Тема № 12. Основы онтогенеза.
- •Тема № 13. Гомеостаз, механизмы его регуляции.
- •«Соматическом стрессе»
- •Тема № 14. Генетика популяций.
- •Тема № 15. Экологические аспекты паразитизма. Введение в паразитологию.
- •Тема № 16. Медицинская протозоология.
- •Тема № 17. Медицинская гельминтология. Тип плоские черви.
- •Тема № 18. Медицинская гельминтология. Тип круглые черви.
- •1. Прямое развитие:
- •2. Непрямое развитие:
- •Тема № 19. Медицинская арахноэнтомология.
- •Литература
Тема № 8. Биология и генетика пола.
Пол как биологический признак. Первичные и вторичные половые признаки.
Пол – это совокупность морфологических, физиологических, биохимических, поведенческих и других признаков организма, обуславливающих репродукцию.
Признаки, по которым отличаются особи разных полов, делят на первичные и вторичные. Первичные представлены органами, обеспечивающими образование гамет и оплодотворение (гонады, половые пути, наружные и внутренние половые органы, которые закладываются в эмбриогенезе). Вторичные – не принимают непосредственного участия в репродукции, развиваются под воздействием половых гормонов и формируются в период полового созревания. Это морфологические признаки организма. Например, особенности развития костно-мышечной системы, подкожной жировой клетчатки, волосяного покрова, тембра голоса, поведения животных.
Признаки особи, связанные с полом, можно разделить на 3 категории:
Ограниченные полом;
Контролируемые полом;
Сцепленные с полом.
Развитие первых обусловлено генами, расположенными в аутосомах обоих полов, но проявляющихся только у одного пола. Такое явление наблюдается в связи с воздействием соответствующих половых гормонов.
Примером вторых является разная степень проявления генов у лиц разного пола. Так у человека ген лысости – только у мужчин, а подагра – у 40% мужчин и редко – у женщин.
Хромосомная и балансовая теории определения пола.
Типы определения пола:
Прогамный – до оплодотворения, по строению мужских и женских гамет.
Сингамный – генетическое определение пола при оплодотворении, которое зависит от характера сочетания половых хромосом, либо от соотношения половых хромосом и аутосом.
Эпигамный – формируется под влиянием внешней среды.
К сингамному типу относится хромосомное определение пола. Ответственные за пол хромосомы назвали половыми. Нормальная мужская гамета несет либо Х либо Y-хромосому, а все яйцеклетки – Х-хромосому. В случае нормального расхождения хромосом при мейозе образуются нормальные яйцеклетки и сперматозоиды с обычным набором хромосом Х или Y. Пол зиготы определяется по соотношению хромосом в гаметах. При этом различают гомогаметный и гетерогаметный пол. У гомогаметного пола одинаковые гаметы. Например, у млекопитающих, дрозофилы гомогаметный женский пол – ХХ. У птиц, рептилий, насекомых (бабочки) гомогаметным является мужской пол ZZ.
Хромосомная теория пола К. Корренса (1907) заключается в том, что пол определяется сочетанием половых хромосом при оплодотворении. Различают следующие типы хромосомного определения пола: ХY, Х0, ZW, Z0 (Табл. 5).
Таблица 5 — Хромосомное определение пола
Типы хромосомного определения пола |
Сочетание половых хромосом |
типы гамет |
||
♂ |
♀ |
♂ |
♀ |
|
Гетерогаметность мужского пола |
||||
Прямокрылые насекомые (клопы Protenor, жуки, пауки, кузнечики) |
Х0 |
ХХ |
Х, 0 |
Х |
Дрозофилы, позвоночные (млекопитающие, в том числе человек) |
XY |
XX |
X,Y |
X |
Гетерогаметность женского пола |
||||
Птицы, рыбы, бабочки, шелкопряд, рептилии, земноводные |
ZZ |
ZW |
Z |
Z,W |
Моли и другие беспозвоночные |
ZZ |
Z0 |
Z |
Z, 0 |
При нарушении течения митоза или мейоза могут образовываться особи-гинандоморфы. Содержание половых хромосом в разных клетках таких особей может быть разное (мозаичное). Случаи мозаицизма: ХХ/ХХХ, XY/XXX; X0/XXY и др.
При нерасхождении половых хромосом в гаметогенезе возможны их комбинации, что является причиной хромосомных аббераций у человека (Табл. 6).
В случае нерасхождения половых хромосом при мейозе образуются гаметы ХХ и 0 у самок, а так же ХY и 0 – у самцов. При участии их в оплодотворении формируются зиготы с необычным сочетанием половых хромосом. У человека такие аномалии встречаются 1 на 600-700 новорожденных. Зигота Y0 погибает на ранней стадии; особи ХХХ, ХХY, Х0 – жизнеспособны. Избыток Х-хромосом вызывает конституциональные аномалии и дефекты интеллекта.
Таблица 6 — Возможные комбинации половых хромосом у человека
♀ ♂ |
Х |
ХХ |
0 |
X |
XX |
XXX |
X0 |
Y |
XY |
XXY |
Y0 |
XY |
XXY |
XXXY |
XY0 |
0 |
X0 |
XX |
0 |
Но в природе встречаются особи, у которых Y хромосома генетически инертна и не оказывает особого влияния на определение пола. Так у дрозофилы обнаружены особи типа Х0, которые были самцами, но бесплодны, а особи ХХY – нормальные плодовитые самки.
Балансовая теория пола (К.Б. Бриджес, 1922) подразумевает, что в определении пола принимают участие не только половые хромосомы, но и аутосомы. Один гаплоидный набор аутосом сообщает особи свойства мужского пола. В данном случае пол определяется соотношением количества половых хромосом к набору аутосом.
Гены женского организма сосредоточены в Х-хромосомах, мужского – в аутосомах (А).
В норме:
самки имеют баланс 2Х : 2А=1
самцы – 1Х : 2А=0,5.
Нормальный баланс половых хромосом и аутосом у человека:
женщин – ХХ : 44А. (2х : 2А)
мужчин – ХY : 44А. (1х : 2А)
Нарушения:
ХО : 44А. – моносомия у женщин.
ХХХ : 44А. – трисомия у женщин.
ХХY, ХХХY : 44А. – синдром Кляйнфельтера (мужской фенотип)
ХYY : 44А. – полисомия по Y.
Определение, дифференцировка и переопределение пола в онтогенезе.
Формирование половых признаков осуществляется под генетическим контролем. Генетический пол зародыша человека определяется набором половых хромосом при слиянии гамет: ХХ и ХY.
Зачатки гонад у ранних эмбрионов до 5-й или 6-й недели не различаются у разных полов и называются бисексуальными. Они состоят из внешнего слоя – кортекса (cortex) и внутреннего слоя – медулла (medulla). Первичные клетки зародышевого пути обнаруживаются у человека на 3-й неделе эмбрионального развития в эндодерме желточного мешка. Затем под влиянием хемотаксических сигналов они мигрируют в гонады. Эта миграция не зависит от пола. Зачатки гонад могут развиваться в яичники или семенники. Дифференцировка мужской гонады наблюдается на 7-й неделе. На 36 день семенник начинает выделять андрогены (тестостерон), определяющий развитие мужского пола. Развитие женской гонады наблюдается на 8-й неделе. Результатом этого является образование женских гормонов – эстрогенов.
В норме Х-хромосомы содержат ген-репрессор – ген тестикулярной феминизации Tfm. Нормальная аллель гена Tfm определяет синтез белкового рецептора для андрогенов. Эти рецепторы имеются на поверхности клеток гонад обоих типов. Развитие по мужскому фенотипу зависит от гена Y-хромосомы – H-y-антигена. Его секретируют первичные мужские клетки зародышевого пути. H-y-антиген отвечает за выработку тестостерона. Как только эти клетки попадают в зачатки гонад, начинается дифференцировка семенников. Считалось, что мужской фенотип определяется всей мужской Y-хромосомой. Но в 1990 году был открыт ген (Sex Region Y), локализованный в Y-хромосоме. При его отсутствии генотип XY дает женский фенотип.
При сочетании половых хромосом ХY, белки-рецепторы воспринимают андрогены. Формируется нормальный мужской фенотип. В случае рецессивной мутации (tfm) рецепторы на поверхности клеток не синтезируются и гормон не воспринимается. Возникает несоответствие между мужским генотипом Х tfmY и формирующимся женским фенотипом (синдром Морриса).
Зачаточная гонада у человека бисексуальна до 6-й недели внутриутробного развития (Табл. 7).
Генотип особи XY вызывает развитие медуллы и формирует семенник на 7-8-й неделе.
Генотип особи ХХ вызывает развитие кортекса и формирует яичник на 8-9-й неделе внутриутробного развития.
Гонады детерминируют развитие первичных и вторичных половых признаков. Половые железы выделяют гормоны, которые вместе с гормонами эндокринных желез контролируют пути дифференцировки пола. Уровень гормонов в свою очередь контролируется генами.
Таким образом, процесс половой дифференцировки включает:
Генетический контроль;
Регуляторные функции гормонов.
Существует теория действия гормонов в качестве регуляторных факторов на гены. Они действуют только на специфические клетки-мишени. В клетке вырабатывается особый белок – рецептор, связывающийся с гормоном по заданному типу развития. После чего гормон приобретает свойства индуцировать работу одного или нескольких генов в хромосомах. Клетки-мишени женского организма воспринимают гормоны по женскому типу в большей степени, а клетки-мишени мужского организма – мужские гормоны. Соответственно в норме формируется женский или мужской фенотип. Таким образом, существует следующая схема:
В клетках-мишенях вырабатывается белок-рецептор;
Белок-рецептор связывается с гормоном;
Инициируется работа нескольких генов в хромосомах.
Образование белков-рецепторов и гормонов контролируется в свою очередь генами. В случае мутаций возникает нарушение контроля, вызывающие аномалии. Примером служит описанный выше синдром Морриса или тестикулярной феминизации. У лиц с этим заболеванием отсутствуют белки-рецепторы к тестостерону и гормон не воспринимается. В силу этого, развитие по мужскому типу прекращается, и появляются женские фенотипические признаки. В исключительных случаях возможно исправление таких дефектов введением соответствующих гормонов.
Мутации таких генов вызывают:
Нарушения синтеза белков-рецепторов;
Отсутствие восприятия гормонов;
Нарушение формирования пола.
Нормальная аллель, контролирующая синтез белкового рецептора для андрогенов – ХTfm. Рецессивная мутация гена, вызывающая нарушение синтеза рецептора – Хtfm.. При этом гормон по заданному типу не воспринимается.
Особенности детерминации пола у человека.
Таблица 7 — Этапы дифференцировки пола у человека
Периоды внутриутробного развития (недели). |
Развитие гонад и половых признаков. |
3 |
первичные половые клетки |
5 |
закладка первичных гонад |
6 |
гонада бисексуальна |
7-8 |
развитие гонады по мужскому типу (семенников) |
8-9 |
развитие гонады по женскому типу (яичников) |
7-9 |
формирование гормонального пола |
10-12 |
формирование внутренних половых органов |
12-20 |
формирование наружных половых органов |
Таблица 8 — Половой диморфизм
- Генетический: |
сочетание хромосом: ХХ или ХY. |
- Гаметный: |
наличие гамет: яйцеклеток, сперматозоидов. |
- Гонадный: |
формирование желез: семенников или яичников. |
- Гормональный: |
функция мужских гормонов – тестостерона, женских гормонов – прогестерона, этрогена. |
- Фенотипический: |
формирование вторичных половых признаков по мужскому или женскому типу. |
- Психологический: |
половая и поведенческая принадлежность. |
Нарушение полового самосознания.
Изначальная генетическая бисексуальность гонад является основой переопределения пола.
В результате нарушения воздействия гормонов или функций рецепторов клеток-мишеней может происходить переопределение пола.
В природе много факторов, ослабляющих действие генов, которые контролируют развитие пола. Например, у человека в гонадах одной особи могут развиваться в равной степени семенниковая и яичниковая часть.
Гермафродитизм – явление интерсексуальности.
На основании клинических данных различают 3 типа интерсексов:
Истинный гермафродитизм – наличие у особи гонад и половых клеток обоих полов;
Мужской псевдогермафродитизм: имеются только тестикулы (семенники), фенотип – женский;
Женский псевдогермафродитизм: имеются только яичники, фенотип – мужской.
Соотношение полов:
Первичное – в момент оплодотворения соотношение должно быть близким 1:1, так как встреча половых клеток равновероятна. При обследовании у человека обнаружено, что на 100 женских зигот образуется 140‑160 мужских. Сперматозоиды, содержащие Y-хромосому, легче, подвижнее и имеют большой отрицательный заряд, в то время как яйцеклетка имеет положительный заряд. Поэтому, Y-содержащие сперматозоиды чаще оплодотворяют яйцеклетку.
Вторичное – к моменту рождения на 100 девочек рождается 103-105 мальчиков. К 20 годам на 100 девушек приходится 100 юношей.
Третичное – к 50 годам на 100 женщин приходится 85 мужчин, а к 85 годам на 100 женщин – 50 мужчин. Считается, что женский организм более приспособленный, что может быть объяснено наряду с другими причинами мозаицизмом женского организма по половым хромосомам.
В 1962 году М. Лайон высказала гипотезу об инактивации одной Х‑хромосомы у женского организма млекопитающих. У женского зародыша функционируют обе хромосомы до 16 дня эмбрионального развития. На 16-й день происходит инактивация одной хромосомы с образованием полового хроматина (тельца Барра). Процесс этот случайный, поэтому примерно в 1/2 клеток активной сохраняется материнская Х-хромосома, а отцовская инактивируется. В других – отцовская активна, а материнская хромосома инактивируется. Переактивация не происходит. Материнская и отцовская Х-хромосомы содержат аллельные, но не абсолютно одинаковые гены, т.е. в одной хромосоме может быть локализован доминантный аллель, а в другой – рецессивный. Обладание дополнительными аллелями расширяет приспособительные возможности организма.
Женский организм более устойчив к холоду, ионизирующему излучению, эмоциональным перегрузкам (женщины плачут чаще, вместе со слезами выделяются активные амины, в результате снижается кровяное давление).
Однако, если бы гипотеза работала без ограничений, то не было бы фенотипических различий между здоровыми женщинами с двумя Х‑хромосомами и больными Х0, или у мужчин XY и XXYY. Очевидно, Х‑хромосома инактивируется не полностью.