Генетика и биология пола
Изучение механизмов определения пола в норме и патологии значимо в медицинской практике для различных целей.
Во-первых, определение пола плода с целью диагностики наследственных заболеваний сцепленных с полом, анеуплоидий по половым хромосомам для решения вопроса о его дальнейшей судьбе (гемофилия, полисомия по X или Y-хромосоме). Пренатальная диагностика широко используется в медико-генетическом консультировании для прогнозирования здоровья будущего ребенка в семьях с отягощенной наследственностью. Оценка кариотипа пола плода проводится с использованием амниоцентеза (либо определение только полового хроматина, либо полный хромосомный анализ).
Во-вторых, диагностирование пола пациентов с половыми генетическими аномалиями, частота которых относительно высока. Так больные с полисомией по Х-хромосоме и с синдромом Тернера встречаются в популяции 1 : 700.
В-третьих, знание бисексуальной природы пола позволяет понять происхождение соматических половых аномалий – гермафродитизма, (интерсексуальности), мозаицизма, гипогонадии и др. Специалисту нужно использовать адекватные психотерапевтические, а иногда и хирургические меры помощи этим больным.
Наконец, знание генетической неравноценности Х и У-хромосом позволяет понять причину неравного соотношения полов в различные периоды онтогенеза. Кроме того, объяснить (в какой-то мере) меньшую жизнеспособность мужских эмбрионов, а в последующем – лиц мужского пола и большую продолжительность жизни женщин. Врачу любой специальности, очевидно, что пол – признак полигенный, и формирование его требует согласованной работы комплекса генов половых и соматических хромосом в заданном месте и в определенное время. Но кроме этого, следует четко представлять, что реализация генотипа осуществляется под воздействием и других факторов – экологических и социальных. Пациенты с патологией пола, это больные с ранимой психикой и отношение к ним со стороны окружающих, в том числе медиков, должно быть особо корректным и тактичным
Пол – важнейшая фенотипическая характеристика, представляющая собой совокупность признаков и свойств организма, обеспечивающих половое размножение. Сюда относится блок признаков и свойств: гаметогенез, оплодотворение, воспроизведение себе подобных и передача наследственной информации.
В кариотипе мужчин и женщин 22 пары хромосом идентичные – аутосомы, а 23-я пара – половые, отличающиеся у мужчин и женщин. У женщин она представлена двумя гомологичными Х-хромосомами, а у мужчин – гетерохромосомаими – Х и У, имеющими лишь небольшие гомологичные участки.
Согласно генетической теории Т. Моргана, женский пол у человека является гомогаметным, а мужской – гетерогаметным. Исходя из этого, пол будущего ребенка зависит исключительно от типа сперматозоида, оплодотворившего яйцеклетку. Если в оплодотворении участвует сперматозоид с Х-хромосомой, то развивается девочка, если сперматозоид с У-хромосомой развивается мальчик.
Кариотипическое определение пола
P ХХ Ху
G Х Х у
F1 ХХ Ху
♀ ♂
1 : 1
Таким образом, пол определяется сочетанием половых хромосом в момент оплодотворения. Различают первичное и вторичное соотношение полов в популяции людей. Первичное – это соотношение полов на уровне ранних эмбрионов. На 100 эмбрионов женского пола приходится до 140 мужского. Вторичное – это соотношение полов на момент рождения (на 100 девочек – 107 мальчиков). Мужские зиготы чаще гибнут, потому что у мужчин одна Х-хромосома в генотипе и, если она несет рецессивный летальный или полулетальный ген, то он проявляется у лиц мужского пола. В дальнейшем в процессе постнатального онтогенеза соотношение полов меняется. Так к моменту вступления в брак (18 – 20 лет) на 100 женщин приходится 101 мужчина. К 50-ти годам на 100 женщин остается 85 мужчин и в последующем онтогенезе соотношение продолжает изменяться в пользу женщин. В последнее время накопился большой материал об индивидуальных, возрастных и половых различиях мужчин и женщин. Установлено, что средняя продолжительность женщин на 10-12 лет больше, чем у мужчин. Разрыв этот в последние годы продолжает увеличиваться.
Половые различия обусловлены, прежде всего, первичными и вторичными половыми признаками. Кроме того, пол характеризуется признаками: зависящими от пола (контролируемые половыми хромосомами), ограниченными полом и сцепленными с полом.
Первичные половые признаки – это признаки, которые обеспечивают непосредственно процесс образования половых клеток, оплодотворение и развитие потомства. К ним относятся внутренние и наружные половые органы. Формирование первичных половых признаков обусловлено генами, расположенными в половых хромосомах.
Вторичные половые признаки – это такие признаки, которые не принимают непосредственного участия в воспроизводстве потомства, но связанные с ним и косвенным образом влияют на него. Сюда относятся фенотипические различия между мужчинами и женщинами. Например, наличие или отсутствие молочных желез, рост, масса тела, тип телосложения, тип оволосения, отложение подкожного жира, тембр голоса и др. Вторичные половые признаки также обусловлены генами половых хромосом и генами аутосом.
Развитие вторичных половых признаков обусловлено комплексом генов, обеспечивающих дифференцировку гонад и гениталий. Половые органы формируются из мюллеровых и вольфовых протоков, которые происходят из первичной почки. У женщин мюллеровы протоки развиваются в фаллопиевые трубы и матку, а вольфовы протоки атрофируются.
Признаки, ограниченные полом – это признаки, гены которых имеются в кариотипе обоих полов, но проявляются преимущественно лишь у одного пола. Эти гены могут быть локализованы в любой аутосомной хромосоме или половой. Такие анатомические и физиологические черты, как развитие молочных желез, время начала менструации, особый тип телосложения контролируются генами, получаемыми от обоих родителей, но проявляются у лиц женского пола. В то же время, такие сугубо мужские черты, как характер роста волос на лице или количество и распределение волосяного покрова на теле также контролируются генами, общими для обоих полов.
Признаки, зависящие от пола – это признаки, определяющиеся генами, которые есть у обоих полов, но у одного пола они ведут себя как доминантные, а у другого - как рецессивные. Это связано с тем, что половые хромосомы обладают очень сильным модифицирующим действием на гены аутосом. Гены, которые определяют эти признаки, расположены в аутосомах, но испытывают на себе действие генов половых хромосом. Например, ген облысения у человека – это ген аутосомный. Он по-разному проявляется у лиц мужского и женского пола: у мужчин он доминантный, а у женщин – рецессивный. Экспрессия гена облысения (аллопеция) варьирует в широких пределах: облысение может быть слабым или полным, лысина может локализоваться по-разному, проявляться в раннем или пожилом возрасте. У женщин этот признак проявляется крайне редко.
Другим примером признака, контролируемого полом, является наследование различных певческих голосов: бас, баритон, тенор, сопрано, меццо-сопрано, альт. Все типы голосов детерминированы одной парой аллелей, но, начиная с периода полового созревания, характер их фенотипического проявления находится под контролем половых гормонов.
Признаки, сцепленные с полом – это неполовые признаки, гены которых локализованы в половых хромосомах. Для того чтобы представить характер их наследования, нужно знать строение половых хромосом.
У человека Х-хромосома крупная субметацентрическая и относится к группе С по денверской классификации. Х-хромосома человека богата жизненно важными генами, которые контролируют свертываемость крови, способность различать цвета, мышечный тонус, проницаемость стенки сосудов и другие (около 95 генов).
У-хромосома человека - это самая мелкая хромосома в кариотипе человека, акроцентрическая, бедна жизненно важными генами (относится к группе G). Очевидно, что во время мейоза Х и У-хромосомы подвергаются только частичной конъюгации. Те участки половых хромосом, которые подвергаются конъюгации, называются гомологичными. В них находятся гены, неполностью сцепленные с Х и У - хромосомами. Они могут подвергаться перекомбинации в процессе кроссинговера и могут проявляться впоследствии как у мужчин, так и у женщин, почти с одинаковой частотой. К таким генам относятся общая цветовая слепота, пигментная ксеродерма, пигментный ретинит, судорожные расстройства, геморрагический диатез, болезнь Огучи. Таких генов немного. Остальные части половых хромосом не подвергаются кроссинговеру в процессе конъюгации, они вообще не конъюгируют, и содержат гены, полностью сцепленные с Х и У - хромосомами. Гены, полностью сцепленные с Х-хромосомой, могут быть как доминантными, так и рецессивными.
Первый четкий пример Х-сцепленного доминантного типа наследования был описан Сименсом (1925). Это кожное заболевание, при котором формируется фоликулярный гиперкератоз, что приводит к частичной или полной потере ресниц, бровей или волос на голове. При этом мужчины поражаются тяжелее, чем женщины. К доминантным признакам, сцепленным с Х-хромосомой относятся наследственный рахит, потемнение зубной эмали. Х-сцепленное доминантное заболевание проявляется у гемизиготных мужчин и гетерозиготных женщин. Однако все сыновья пораженных отцов и здоровых матерей не несут патологических признаков, здоровы и их дети. Все дочери пораженных отцов поражены.
Рецессивные признаки, сцпленные с Х-хромосомой встречаются гораздо чаще доминантных. В качестве примеров можно привести следующие заболевания: дальтонизм, атрофия зрительного нерва, несахарных диабет, агаммаглобулинемия, ихтиоз, отсутствие потовых желез и многие другие. Наиболе изветсным примером является гемофилия, отмеченная в знаменитой родословной королевы Виктории. Одним из потомков этого генеалогического древа был царевич Алексей в России, страдающий гемофилией.
Из наиболее редких и уникальных в своем проявлении рецессивных заболеваний, сцепленных с Х-хромосомой является синдром Леша-Найхана (самосадизм). Эта аномалия связана с недостаточностью фермента HGPRT (гипоксантин-гуанин-фосфорибозил-трансфераза), участвующего в метаболизме пуринов. Такие больные характеризуются тяжелыми неврологическими расстройствами, сниженным болевым порогом и неудержимым стремлением к самоповреждениям.
В большинстве случаев рецессивные гены, полностью сцепленные с Х-хромосомой, наследуются следующим образом: от отца через дочь-носительницу (кондуктор) к внукам мужского пола. Среди сыновей гетерозиготных матерей соотношение больных и здоровых равное. Такое наследование получило название крисс-кросс (крест-накрест).
У-хромосома в негомологичном участке содержит гены, передающиеся по типу полного сцепления только по мужской линии: от отца к сыну, от сына к внуку и т.д. Такими признаками являются гипертрихоз, наличие плавательной перепонки между пальцами, редкий ген «дикообразности».
Изучение наследования сцепленных с полом признаков дало возможность сделать следующие выводы:
· пол наследуется как любой другой признак организма, наследуемый генами;
· расщепление по полу 1:1 определяется образованием в мейозе двух сортов гамет с равной частотой у гетерогаметного пола;
· в природе гетерогаметным может быть как мужской, так и женский пол (ХУ – курица, ХХ – петух);
· наследование признаков, сцепленных с полом, определяется генами, локализованными в Х-хромосоме. При этом наследование происходит «крест-накрест» (пример с гемофилией: сыновья наследуют признак матери, а дочери – отца);
· полное сцепление с полом выявляется лишь в том случае, если У-хромосома генетически инертна;
· гены, локализованные в Х-хромосоме и имеющие аллели в У-хромосоме, наследуются частично сцепленно с полом;
· гены, локализованные в У-хромосоме и имеющие аллели в Х-хромосоме, наследуются по типу полного сцепления – по мужской линии;
· признаки пола определяются не только генами половых хромосом, но и большим количеством аутосомных генов (пол – признак полигенный);
· наследование сцепленных с полом признаков явилось прямым доказательством локализации генов в хромосомах.