Генетика - А. В. Сиволоб 2008

Генетика багатоклітинних еукаріотів
Генетика статі
Механізми визначення статі

За природою стать-детермінуючого сигналу розрізняють середовищний і генетичний механізми визначення статі. Якщо стать зумовлюється середовищем, то розрізняють про- та епігамний типи визначення статі. У першому випадку вона установлюється до Запліднення яйцеклітини, а в другому - після. Найчастіше стать визначається генотипом зиготи (генетичний механізм), тобто залежить від того, які стать-детермінуючі гени мали сперматозоїд і яйцеклітина. У такому разі кажуть про сингамний тип визначення статі - у момент запліднення яйцеклітини.

Прогамний і епігамний типи визначення статі. Прогамний тип притаманний, наприклад, коловерткам і попелицям. При статевому розмноженні цих видів стать нащадка визначається розміром яйцеклітини (кількістю поживних речовин у ній). Незалежно від того, які генотипи мають яйцеклітина та сперматозоїд, що утворюють зиготу, із запліднених яйцеклітин великого розміру розвиваються самки, а з дрібних - самці. У даному разі детермінуючим сигналом розвитку статі є внутрішнє середовище яйцеклітини.

Класичним прикладом епігамного типу визначення статі є Детермінація статі у морського черв'яка Bonellia viridis. Самки можуть досягати розміру до одного метра, тоді як самці мають довжину не більше 3 мм і паразитують у статевих шляхах самки. Визначення статі відбувається під час розвитку личинки: личинка, що вільно плаває, може випадково прикріпитися або до самки, або до будь-якого субстрату. У першому випадку під дією гормонів, які виділяє самка, із личинки розвивається самець-паразит, у другому - самка.

Епігамним типом визначення статі також характеризуються деякі види черепах, крокодилів і ящірок. Стать-детермінуючим сигналом для цих видів є Температура інкубації заплідненого яйця, оскільки вона впливає на експресію ключового гена Tdf (testis determining factor), який визначає розвиток чоловічих гонад - при підвищенні температури оточуючого середовища у крокодилів і ящірок з яєць вилуплюється більше самців, у черепах - самок.

Сингамний тип визначення статі. У тваринному та рослинному світі найпоширенішим є залежне від генетичних факторів визначення статі в момент утворення зиготи. Проте слід зазначити, що іноді спостерігаються перехідні варіанти, які поєднують генетичний і середовищний механізми. Так, у риб стать визначається за сингамним типом (залежить від присутності статевих хромосом, див. нижче), проте, у деяких видів під час індивідуального розвитку може спостерігатися зміна статі в дорослих особин під впливом навколишнього середовища, тобто сингамний тип визначення статі змінюється на епігамний. Наприклад, в акваріумних рибок Oryzias latipes, стать яких детермінується статевими хромосомами, відбувається зміна статі з чоловічої на жіночу при інкубації заплідненої яйцеклітини в середовищі, збагаченому жіночими статевими гормонами. Найцікавішим є приклад зміни статі в риб у зв'язку із "соціальними умовами». Так, у популяції риби-клоуна Botia macracanthus найбільша риба в групі стає самкою, друга за розміром - самцем. Усі інші особини залишаються статево незрілими. Якщо самка гине, самець перетворюється на самку, а наступна за розміром риба у групі стає самцем. Механізм такої "соціальної" зміни статі, який зустрічається в багатьох інших видів риб, залишається нез'ясованим.

Конкретні механізми, які зумовлюють детермінацію статі за суто сингамним типом, досить різноманітні. Існують два основні класи таких механізмів: алельний і хромосомний.

За алельним механізмом стать визначається одним Геном, представленим декількома алелями. Скажімо, у шаленого огірка Ecballium elaterium стать визначається геном, який має три алелі: a^D зумовлює розвиток чоловічої статі, a^d - жіночої, а+ визначає Гермафродитизм (розвиток чоловічих і жіночих ознак в одної особини). Алель a^Dдомінантний щодо двох інших алелів, алель а+ - щодо рецесивного a^d. Таким чином, рослини з генотипами a^Da+ та a^Da^dє чоловічими, із генотипом a^da^d- жіночими, із генотипами а+а+, a+a^d - гермафродитами.

Цікавий механізм визначення статі реалізується в перетинчастокрилих (ос, мурах, бджіл). Самки розвиваються із запліднених (диплоїд- них) яєць, а самці (трутні) - із незапліднених (гаплоїдних). Під час подальшого розвитку самців відбувається подвоєння хромосом в соматичних тканинах (автодиплоїдизація). Довгий час вважалося, що саме факт диплоїдності або гаплоїдності зиготи є вирішальним у визначенні статі, тому такий механізм отримав назву гаплодиплоїдного. Виявилося, однак, що визначення статі в перетинчастокрилих залежить від одного гена, який має велику (понад 20) кількість алелів. Отже, гаплодиплоїдний тип визначення статі можна вважати різновидом алельного. Гетерозиготні за цим геном особини є самками. Зрозуміло, що трутні не можуть бути гетерозиготами: вони розвиваються з яєць, які несуть тільки по одній копії всіх генів, а при відновленні диплоїдної кількості хромосом соматичні клітини будуть гомозигиготними за всіма генами. У випадку тривалих споріднених схрещувань (інбридингу) відбувається зменшення гетерозиготності популяції (див. розділ 8), і у вуликах можуть з'являтися самці, що розвинулись із запліднених яєць.

У багатьох видів гени первинного визначення статі містяться у специфічних статевих хромосомах, які й зумовлюють детермінацію статі. Такий механізм називається хромосомним визначенням статі.

Існує декілька різновидів визначення статі хромосомного типу:

✵ Тип ХХ/ХO (характерний для деяких комах, наприклад, коників і клопів роду Protentor) - самки мають дві статеві Хромосоми одного типу, які позначаються як Х-хромосоми (ХХ), а самці лише одну (ХO).

✵ Тип ХХ/ХУ (ссавці, риби, деякі комахи, деякі рослини) - жіноча стать має дві однакові статеві хромосоми (ХХ), а чоловіча - дві різні (ХУ).

✵ Тип ZZ/ZW (птахи, плазуни, метелики). На відміну від попереднього типу, особини, які мають дві однакові статеві хромосоми (ZZ), є самцями, а особини з двома різними хромосомами (ZW) - самками.

✵ Тип ZZ/Z0 (характерний для деяких метеликів) - самці є носіями двох однакових статевих хромосом (ZZ), а самки - лише однієї (ZO).

Стать, представники якої мають дві ідентичні статеві хромосоми та, відповідно, продукують ідентичні за цими хромосомами гамети, називається гомогаметною (гомогаметною статтю у ссавців є самки, а у птахів - самці). Стать, представники якої продукують різні за статевими хромосомами гамети, є гетерогаметною.

Молекулярні механізми визначення статі, навіть у межах одного хромосомного типу, можуть кардинально відрізнятися. Розглянемо два різні механізми визначення статі за типом ХХ/ХУ - у дрозофіли та ссавців.

У дрозофіли наявні два типи статевих хромосом - Х і У. Особини ХХ розвиваються як самки, а особини ХУ - як самці. При цьому із зиготи, що має тільки одну Х-хромосому (Х0) також розвиваються самці, а набір статевих хромосом ХХУ приводить до розвитку самки. Отже, генетично інертна У-хромосома у дрозофіли взагалі не відіграє ролі у визначенні статі: ключовим моментом є співвідношення (баланс) між кількістю Х-хромосом і кількістю наборів аутосом (табл. 6.1) - це положення було свого часу сформульване Бріджесом (Calvin Bridges) як балансова теорія визначення статі.

Таблиця 6.1. Співвідношення між числом Х-хромосом і кількістю наборів аутосом при визначенні статі у дрозофіли

За наявності в диплоїдній зиготі двох Х-хромосом, співвідношення між ними та кількістю наборів аутосом дорівнює 1 - саме за такої умови із зиготи буде розвиватися самка. Набір статевих хромосом ХУ приводить до відношення Х : А (див. табл. 1), що дорівнює 0,5, і з зиготи розвивається самець. Набір ХО зумовить таке саме співвідношення між Х-хромосомами й аутосомами, тому особини Х0 є самцями. Набір статевих хромосом ХХУ визначить співвідношення, яке дорівнює 1, що забезпечить розвиток самки. За умови, що Х : А більше за одиницю, із зиготи розвивається надсамка, яка характеризується гіпертрофованими зовнішніми статевими ознаками самки; наслідком відношення, яке менше 0,5, є розвиток надсамця. Якщо відношення Х-хромосом до кількості наборів аутосом є проміжним між 1 і 0,5, із зиготи розвивається так званий інтерсекс, який характеризується проміжним між самцями та самками фенотипом.

Балансовою теорією пояснюється поява серед дрозофіл гінандроморфів - особин, які мають частину клітин, тканин чи органів з ознаками, характерними для різних статей. Під час ембріонального розвитку при перших поділах зиготи з набором статевих хромосом ХХ, одна з Х-хромосом може бути втраченою (за механізмом виникнення анеуплоїдів, див. розділ 4), і відповідні клітини будуть родоначальниками тканин і органів, що розвиваються шляхом, характерним для самця.

Молекулярний механізм балансового визначення статі у дрозофіли пов'язаний із наявністю в Х-хромосомі двох генів - sis-a та sis-b, що виконують роль головного стать-детермінуючого сигналу. Білкові продукти цих генів утворюють комплекс із продуктом аутосомного гена da. Кількість продуктів гена da відповідає кількості аутосом (у диплоїдного організму - дві дози), а кількість продуктів генів sis-a та sis-b варіює залежно від кількості Х-хромосом у зиготі (одна або дві дози). Таким чином, у самок утворюється вдвічі більше цих білкових комплексів, ніж у самців. Білкові комплекси sis-da виконують роль факторів транскрипції, під контролем яких знаходиться ключовий ген розвитку статі - Sxl (Sex-lethal), що міститься в одній із аутосом. Подвійна концентрація фактора транскрипції є достатньою для активації гена Sxl у самки; у самця (одна Х-хромосома) ген не транскрибується на найбільш ранніх стадіях ембріонального розвитку, оскільки концентрація активатора транскрипції є недостатньою.

Ген Sxl містить вісім екзонів (див. рис. 6.16) і має два промотори - ранній і пізній. Фактор транскрипції sis-da активує ранній промотор, при транскрипції з якого (що відбувається тільки в самки) сплайсинг мРНК спрямований таким чином, що екзони 2 і 3 вирізаються з пре-мРНК (не показано на рис. 6.16). Продуктом гена є білок Sxl, він виконує роль регулятора сплайсингу власного гена при його транскрипції з іншого - пізнього - промотора, що активується як у самця, так і в самки на трохи пізніших стадіях розвитку ембріона. Транскрипція з пізнього промотора зумовлює трохи інший шлях сплайсингу, коли в мРНК залишається скорочений екзон 1 разом з екзоном 2. Регулятор сплайсингу Sxl забезпечує вирізання екзона 3 у самки, у самця (за відсутності Sxl) цей екзон залишається (рис. 6.16). Оскільки екзон 3 містить стоп-кодон, Трансляція мРНК у самця приводить до синтезу нефункціонального поліпептиду. У самки синтезується трохи змінена форма білка Sxl, яка підтримує сплайсинг власної мРНК шляхом, характерним для самки, а також виконує роль регулятора сплайсингу мРНК гена tra (transformer): у самки утворюється функціональна мРНК, у самця - нефункциональна, яка містить стоп-кодон у екзоні 2 (рис. 6.16).

Рис. 6.16. Альтернативний сплайсинг у процесі детермінації статі у дрозофіли. Для гена Sxl показано сплайсинг у самки й самця при транскрипції гена з пізнього промотора

Функціональний білковий продукт гена tra, у свою чергу, спрямовує сплайсинг мРНК гена dsx (double-sex) за типом самки: у мРНК наявні перші чотири з шести екзонів - за екзоном 4 розташований polyA-сигнал (див. розділ 2), який у присутності білка Tra впізнається системою процесингу. У результаті утворюється білок dsx^F, який зумовлює розвиток самки, запускаючи активацію відповідного каскаду генів. За відсутності білка Tra в самця вказаний polyA-сигнал не розпізнається, і синтезується мРНК, що містить усі шість екзонів (рис. 6.16), - відповідний білок dsx^M зумовлює активацію генів, які відповідають за розвиток ознак самця.

У ссавців, як і в дрозофіли, особини з набором статевих хромосом XX мають жіночу стать, а з набором XY - чоловічу. Але, на відміну від дрозофіли, особини ХO (при втраті Y-хромосоми) мають жіночу стать (з певними вадами, див. розділ 7), а особини з додатковими Х-хромосомами (ХХУ, ХХХY, ХХХY) - чоловічу. Отже, у визначенні статі у ссавців ключову роль відіграє Y-хромосома: за її наявності розвивається особина чоловічої статі, за відсутності - жіночої. Визначальна функція Y-хромосоми зумовлена наявністю в 'її складі ключового гена TDF/SRY (Testis Determining Factor/ Sex determining Region Y), продукт якого є транскрипційним фактором для генів, котрі визначають розвиток тестикул (чоловічих гонад) у зародку.