Пол как генетическая модель индивидуального развития

Изучение дифференцировки первичных и вторичных половых признаков показывает ряд примеров генетического контроля индивидуального развития. При этом мы сталкиваемся с универсальными явлениями и механизмами, значение которых еще не совсем изучено. Так, Л. Синг и др. (1976) нашли в (Т-хромосоме, определяющей женский пол (ХЩ змей (полосатый крайт — Bungarus/овс1ашв), фракцию повторяющейся ДНК, которая оказалась гомологичной ДНК половых хромосом птиц, амфибий, рептилий, млекопитающих (включая человека) и насекомых (О. melanogaster) в случае как Х-, так и У-хромосомы.

Всем млекопитающим мужского пола, включая человека, свойственен так называемый Я-У-антиген, находящийся на поверхности клеток, несущих У-хромосому. У мышей он обнаруживается уже у эмбрионов на стадии восьми клеток. У изогенных особей женского пола Я-У-антиген не обнаружен. В инбредной линии мышей кожный лоскут хорошо приживается при пересадках от самок самцам, но не наоборот: кожный лоскут самца при пересадке самкам отторгается. По-видимому, несколько генов У-хромосомы определяют появление Я-У-антигена, единственной функцией которого считается индукция развития семенников, т. е. дифференцировка гонад.

Вторичные половые признаки развиваются под влиянием стероидных гормонов, вырабатываемых гонадами. Развитие мужских вторичных половых признаков контролирует тестостерон, воздействующий на все клетки организма, включая клетки гонад. Мутация (Т/т) всего одного гена .У-хромосомы, кодирующего белок-рецептор тестостерона у разных млекопитающих, приводит к синдрому тестикулярной феминизации особей ХУ. Клетки мутанта не чувствительны к действию тестостерона, в результате чего взрослый организм приобретает черты, характерные для женского пола. При этом внутренние половые органы оказываются недоразвитыми, и такие особи полностью стерильны. Таким образом, в определении и дифференцировке пола млекопитающих взаимодействуют хромосомный и генный механизмы.

Несмотря на то, что женские особи млекопитающих имеют две А'-хромосомы, а мужские — только одну, экспрессия генов А-хромосомы происходит на одном и том же уровне у обоих полов. Это объясняется тем, что у женщин в каждой клетке полностью инактивирована одна А-хромосома. Эту хромосому можно видеть в интерфазе в форме гетерохроматинового тельца, названного тельцем Барра. А'-хромосома инактивируется на ранней стадии эмбрионального развития, соответствующей времени имплантации. При этом в разных клетках отцовская и материнская А-хромосомы выключаются случайно.

Состояние инактивации данной А-хромосомы наследуется в ряду клеточных делений. Таким образом, женские особи, гетерозиготные по генам половых хромосом, представляют собой мозаики. Широко известный пример проявления такой мозаичности — черепаховые кошки, имеющие черные и желтые пятна. Эти кошки гетерозиготны по гену С*/С⁸ (С^г — желтый мех, С® — черный мех). Желтые и черные пятна у них развиваются в результате случайной инактивации в раннем эмбриогенезе А'-хромосомы с аллелем С⁸ или С^У. Черепаховую окраску почти всегда имеют кошки; если же изредка обнаруживаются коты такой окраски, то они имеют хромосомную конституцию ХХУ.

В генетически сходной ситуации хромосомного определения пола по типу ХХ-ХУ у дрозофилы выработался иной механизм компенсации дозы генов А'-хромосомы, которая различается у самцов и самок. Активность ферментов, кодируемых генами А'-хромосомы, у них одинакова в пересчете на клетку или организм, но она в два раза выше у самцов в пересчете на одну А-хромосому, чем у самок. При этом у дрозофилы А'-хромосома не инактивируется. Если ген из А'-хромосомы транслоцировать на аутосому, то эффект дозовой компенсации сохраняется. При переносе генов с аутосом на А'-хромосому аутосомные гены по типу компенсации дозы не регулируются. Следовательно, регулируется активность не всей А'-хромосомы, а каждого ее гена.

Явление дозовой компенсации объясняется двояко. Одно объяснение связывает наблюдаемые эффекты с наличием А-хромосоме гипотетического гена-компенсатора, не подверженного дозовой компенсации и синтезирующего некий ингибитор транскрипции генов А'-хромосомы. Чем больше А-хромосом, тем больше ингибитора транскрипции, следовательно, тем ниже активность регулируемых генов. Другое объяснение предполагает существование аутосомного компенсатора, который обеспечивает образование активатора транскрипции А'-хромосомы. Тогда уровень экспрессии (транскрипции) генов, сцепленных с полом, зависит от их дозы и доступности активатора. Механизм дозовой компенсации у дрозофилы еще не расшифрован.

Итак, индивидуальное развитие многоклеточных организмов представляет собой сложную цепь изменений, контролируемых генами. При этом осуществляется дифференциальная экспрессия генов, регулируемых на разных уровнях от репликации до посттрансляционной модификации белков и сборки надмолекулярных структур.

Контрольные вопросы и задания:

• 1. Приведите примеры онтогенетической изменчивости.
• 2. Что такое гомеозисные мутации?
• 3. На каких уровнях осуществляется регуляция действия гена?
• 4. Что такое амплификация, каково ее значение в регуляции генной активности?
• 5. Что такое оперон? Изобразите схему оперона, поясните ее.
• 6. Какие схемы негативной регуляции вы знаете? Чем они различаются?
• 7. В чем состоит различие между негативной и позитивной регуляцией? Приведите примеры.
• 8. Получена мутация по про моторному участку лактозного оперона. Каков фенотип такого мутанта? Как отличить его от мутанта по гену-регулятору?
• 9. Как возникают гинандроморфы и мозаики? Приведите схему.
• 10. Приведите доказательства тотипотентности соматических клеток эукариот.
• 11. В каких единицах выражаются расстояния при картировании бластодермы дрозофилы? Чему они соответствуют?