Загальна біологія. Збірник задач

Спадкування ознак, зчеплених зі статтю

Стать, як і будь-яка інша ознака організму, спадково детермінована. Важлива роль в генетичній детермінації статі, у збереженні певного співвідношення статей належить хромосомному апарату. Для кожного виду тварин і дводомних рослин властива приблизно однакова кількість особин чоловічої і жіночої статей, тобто співвідношення статей близьке до розщеплення 1 : 1. Це співвідношення співпадає з розщепленням в аналізуючому схрещуванні, коли одна зі схрещуваних форм є гомозиготною за рецесивною алеллю (аа), а інша — гетерозиготною (Аа). Серед потомства в цьому випадку спостерігається розщеплення у співвідношенні 1Аа : 1аа. Якщо стать успадковується за таким же принципом, то можна передбачити, що одна стать, наприклад жіноча, повинна бути гомозиготною, а чоловіча — гетерозиготною або навпаки. Тоді розщеплення за статтю в кожному поколінні повинно бути 1 : 1, що й спостерігається в роздільностатевих організмів.

Але ці факти ще не могли стати доказом гомозиготності й гетерозиготності статей, доки не були співставлені з цитологічними даними. З’ясували, що у тварин особини чоловічої і жіночої статей відрізняються за хромосомними наборами. Так, у самок деяких видів (дрозофіла) всі хромосоми парні, а в самців дві хромосоми гетероморфні, причому одна з них така ж, як і в самки. Такі хромосоми, за якими відрізняються особини чоловічої та жіночої статей, одержали назву статевих хромосом. Ті з них, які є парними в одної зі статей, називають Х-хромосомами. Непарна статева хромосома, яка є лише в особин однієї статі і відсутня в іншої, була названа Υ-хромосомою.

Походження терміну Х-хромосома пов’язане з виявленим у 1891 році X. Генкінгом в мейозі деяких комах непарного тільця, яке інтенсивно фарбувалося. Воно під час поділу відходило до одного з полюсів. X. Генкінг не знав призначення виявленого ним невідомого елемента і позначив його літерою X. У 1902 році К. Мак-Кленг припустив, що роль цього елемента пов’язана з визначенням статі. У 1905 році Е. Вільсон запропонував назвати його Х-хромосомою. Згодом другу непарну хромосому, що визначає у багатьох організмах чоловічу стать, стали називати Υ-хромосомою. Так для статевих хромосом затвердились позначення X- та Y-хромосоми.

Хромосоми, за якими чоловіча й жіноча стать не відрізняються, називають аутосомними. Таким чином, у дрозофіли особини обох статей мають по 6 однакових аутосом й статеві хромосоми XX у самок та ΧΥ — у самців. Оскільки у самок Х-хромосоми парні, то внаслідок мейозу в них будуть утворюватись однакові яйцеклітини, кожна з одною Х-хромосомою. Стать, що утворює однакові статеві гамети, називають гомогаметною. У самця будуть утворюватись сперматозоїди двох видів: з X-хромосомою або Υ-хромосомою в рівних кількостях, відповідно до механізму мейозу, тому чоловічу стать дрозофіли називають гетерогаметною. За хромосомною теорією спадковості стать організму визначається в момент запліднення.

Існують чотири основні типи визначення статі.

Тип визначення статі	Організми	Соматичні клітини		Гамети		Гетерогаметна стать
		♀	♂	Яйцеклітини	Сперматозоїди
ΧΥ	Людина, ссавці, комахи ряду Двокрилих, деякі риби, рослина куколиця та інші	XX	XY	Х і Х	X i Y	чоловіча
ΧΥ	Птахи, комахи ряду Лускокрилих, деякі риби	XY	XX	X i Y	Х і Х	жіноча
ХО	Коники, клопи (Protenor)	XX	ХО	Х і Х	Х і О	чоловіча
ХО	Міль (Fumea)	ХО	XX	Х і О	Х і Х	жіноча

У випадку птахів Х-хромосому іноді позначають Ζ, а Υ-хромосому — W. У багатьох видів Х-хромосоми та Υ-хромосоми різко відмінні за величиною. Як правило, Υ-хромосома невелика за розмірами. Крім того, вона містить великий гетерохроматичний район і Υ-специфічні нуклеотидні послідовності. Все це не тільки в багато разів знижує кількість генів, локалізованих в Υ-хромосомі, порівняно з Х-хромосомою (що служить причиною гемізиготності), але практично блокує кросинговер між ними. Іншими словами, сфера гомології, необхідна для точного спарювання між X- і Υ-хромосомами, дуже невелика. Це правило дійсне також для Z- і W-хромосом. Біологічна роль відсутності кросинговеру між гетероморфними статевими хромосомами цілком виправдана, бо кросинговер знищив би якраз ті відмінності між X- і Υ-, Z- і W-хромосомами, які й обумовлюють хромосомний механізм спадкування статі.

У людини описано декілька випадків спадкування зчеплених з X-хромосомою ознак, які в гемізиготному стані спричиняють розвиток тієї чи іншої форми патології. З трьох добре вивчених форм гемофілії дві визначаються рецесивними генами, локалізованими в Х-хромосомі. Вони обумовлюють неповноцінність чинників зсідання крові, часті кровотечі, особливо небезпечні у внутрішніх органах, і врешті — ранню смерть. Гемофілією хворіють майже завжди чоловіки. Захворювання жінок малоймовірне, тому що вони повинні мати відповідний рецесивний ген в обох Х-хромосомах. Одну з таких хромосом жінка обов’язково одержить від батька, але чоловіки, які страждають гемофілією, рідко доживають до репродуктивного віку. У той же час половина синів жінки-носія гемофільного гена у вегетативному стані («кондуктора») одержить цей ген та захворіє.

Аналогічно успадковується дальтонізм (нездатність розрізняти червоний і зелений кольори). Вказані відмінності у величині гетероморфних статевих хромосом ведуть до генного дисбалансу. Дійсно, якщо в Υ-хромосомі людини міститься всього декілька генів, то в Х-хромосомі їх вже зараз відомо біля 150. Не менш значні відмінності за кількістю генів між X- та Υ-хромосомами дрозофіли.

У зв’язку з цим існують механізми компенсації доз генів, локалізованих в гетероморфних хромосомах. Але в людини і ссавців, з одного боку, та у дрозофіли з іншого ці механізми неоднакові. У ссавців компенсація досягається майже повною генетичною інактивністю однієї з двох Х-хромосом.

Інактивація Х-хромосом відсутня в клітинах зародкового шляху. Якщо в результаті нерозходження в клітинах самки ссавця міститься кілька X-хромосом, то всі вони, крім однієї, підлягають інактивації в ранньому ембріогенезі, точніше, у момент імплантації ембріона в стінку матки. Вибір активної та неактивної Х-хромосоми відбувається майже завжди випадково, і тому, наприклад, організм жінок, гетерозиготних за Х-зчепленими генами, мозаїчний: біля половини їхніх клітин виявляють нормальний фенотип, тоді як інша половина — мутантний. Інактивація стосується майже всіх генів, локалізованих в Х-хромосомі. Відбувається вона за механізмом гетерохроманізації. Хромосоми перетворюються в щільно конденсовані тільця, подібні істинному (конститутивному) гетерохроматину, і в такому вигляді розташовуються звичайно на периферії ядра, утворюючим так звані тільця Барра.

Відсутність генетичної активності гетерохроматизованих Х-хромосом пояснюється тим, що ферменти генетичних процесів, у тому числі й транскрипції, не можуть працювати на конденсованому хроматині. Таким чином, дози функціонуючих генів стають однаковими як у самців, так і у самок.

Інший тип дозової компенсації описаний у дрозофіли. Тут єдина X-хромосома самця спрямовує синтез стількох генних продуктів, скільки обидві функціонально активні Х-хромосоми самки.

Цікаво, що дозова компенсація у дрозофіли діє на рівні не тільки всієї Х-хромосоми, але й кожного з її локусів. За допомогою хромосомних перебудов можна перенести аутосомний ген в Х-хромосому, але це не приведе до інтенсифікації її роботи. У той же час гени, локалізовані в Х-хромосомі, потрапивши в аутосоми, зберігають вихідний рівень активності.

Для менделівських законів не має значення, якою статтю приносяться домінантні або рецесивні алелі. Це справджується для всіх випадків, коли гени знаходяться в статевих хромосомах. Адже характер спадкування обумовлений поведінкою цих хромосом у мейозі та їх поєднанням під час запліднення.

Ознаки, які визначаються генами, що знаходяться Х-хромосомах, називають ознаками, зчепленими зі статтю. Цю закономірність відкрив Т. Г. Морган в дослідах з дрозофілами.

На генетичних схемах Х-хромосому ще позначають прямою рискою (—), а Υ-хромосому неповною стрілкою (⇁).

Механізми хромосомного визначення статі неоднакові в різних видів. У людини статево визначальною є Υ-хромосома, і у випадку анеуплодїї при будь-якому числі Х-хромосом, Υ-хромосома обумовлює розвиток чоловічої статі. У дрозофіли Υ-хромосома не є визначальною для розвитку чоловічої статі. Розвиток жіночої або чоловічої статі у цього виду залежить від співвідношення кількості Х-хромосом і кількості наборів аутосом.

Існують інші механізми спадкування статі. Так, у перетинчастокрилих самки диплоїдні, а самці — первинногаплоїдні. Внаслідок цього самки гетерозиготні за генами, які контролюють стать, а самці гомозиготні за цими генами. У більшості видів в природі забезпечується співвідношення статей близьке до 1 : 1.

Однак існує ряд причин, які призводять до відхилення від цього співвідношення. До таких причин належить наявність летальних факторів у статевих хромосомах, вибіркова смертність однієї зі статей на різних стадіях онтогенезу, нерозходження хромосом, модифікації статевого розмноження (партеногенез, андрогенез), дія генів-модифікаторів статі та інші причини.

Зчепленими зі статтю називаються ознаки, гени яких розташовані в статевих хромосомах. X- та Υ-хромосоми цитологічно й генетично нерівнозначні. В X- і Υ-хромосомах є гомологічні ділянки, які мають алельні гени. Проте як в X-, так і в Υ-хромосомі є диференціальні ділянки. Гени, локалізовані в диференціальній ділянці Х-хромосоми у гетерогаметної статі, подані одною алеллю і є непарними гемізиготними. У гомогаметної статі ці гени парні. Гени, локалізовані в негомологічній ділянці Υ-хромосоми, називають голандричними. Спадкування ознак, зчеплених зі статтю, відрізняється від спадкування аутосомних ознак і не підпорядковується правилам Менделя. Основні особливості спадкування ознак, зчеплених зі статтю такі:

• 1. Результати прямого і зворотного схрещування неоднакові.
• 2. Самки і самці по-різному успадковують ознаки. Спадкування ознак, зчеплених з X- і Υ-хромосомами відбувається неоднаково. Ознаки, зчеплені з Х-хромосомою, у певних схрещуваннях передаються від матері синам, а від батька — дочкам, тобто «хрест-навхрест». Ознаки, зчеплені з Υ-хромосомою, передаються по лінії гетерогаметної статі.

Під час аналізу ознак, зчеплених зі статтю, необхідно в запис схрещування, крім умовного позначення генів, вводити позначення хромосом.