Особенности строения У-хромосомы.

Половые Х- и У-хромосомы млекопитающих возникли из пары идентичных аутосом примерно 240-300 млн лет тому назад, после обособления эволюционной ветви, ведущей к млекопитающим. Свидетельством общности являются 19 общих анцестральных генов. Позднее, 130-170млн лет назад, когда разошлись Первозвери и Настоящие звери, в У-хромосоме возник ген SRY, который, как мы увидим, стал ключевым в детерминации пола у высших млекопитающих. Кроме того, У-хромосома характеризуется целым рядом специфических черт, отличающих ее от других хромосом набора:

•обедненность генами;

•обогащенность повторяющимися блоками нуклеотидов и, в частности, многократно тандемно повторяющимися (сателлитная ДНК); присутствие значительных гетерохроматиновых районов;

•наличие области гомологии с Х-хромосомой — псевдоаутосомной области (РАR).

(Х хр. – 160 млн. п.о., 1500 генов; У-хр. – 65 млн. п.о., 23 млн. – эухроматин, 156 транскриптов, 78 белок-кодирующих последовательностей, 23 – несут информацию о белках; Х и У имеют 31 общих генов.)

У-хромосома, как правило, не велика: 2—3% гаплоидного генома. Тем не менее, кодирующей способности ее ДНК у человека, например, достаточно по крайней мере для нескольких тысяч генов. Однако в действительности у человека в Y-хромосоме выявлено всего около 40 обогащенных СС-парами так называемых СрС-островков, фланкирующих обычно большинство генов. Реальный список связанных с этой хромосомой генетических функций вдвое меньше. Ее фенотипическое влияние ограничено у мышей весом семенников, уровнем тестостерона, серологического Н-У-антигена, чувствительностью органов к андрогенам и сексуальным поведением. Обращает на себя внимание и тот факт, что большая часть генов этой хромосомы имеет X-хромосомные аналоги. Это касается и генов, непосредственно вовлекаемых в определение пола.

Схема детерминации пола у млекопитающих представлена на рис. 21.1. Если Y-хромосома отсутствует, то зачатки гонад развиваются в яичники. Эстрогены, продуцируемые яичником, обусловливают развитие мюллерова протока во влагалище, шейку матки, матку и яйцеводы. При наличии Y-хромосомы последняя продуцирует или регулирует формирование фактора, который детерминирует развитие семенников, т. е. вынуждает развивающуюся гонаду вступать на путь, ведущий к развитию семенника, а не яичника.

Фактор, детерминирующий семенники (testis determining factor, TDF), был идентифицирован как ген и получил название Srу (sех determining region of Y gene). Он кодирует белок, образующий "цинковые пальцы" и обладающий ДНК-связывающей активностью, а потому рассматриваемый как фактор регуляции транскрипции. Ген Srу расположен в детерминирующей пол области Y-хромосомы, и кодирует белок размером размером 79 аминокислотных остатков. Его активность была обнаружена накануне периода дифференцировки прогонады в семенник (от 10 до 12,5-го дня эмбрионального развития у мыши). Точковые мутации или делении в консервативном домене (НМG-боксе) этого гена могут приводить к инверсии пола. Перенос фрагмента ДНК размером 14кб, содержащего этот ген с фланкирующими участками, в оплодотворенную яйцеклетку гомогаметной мыши с помощью микроинъекции приводит к появлению "самца" с ХХ-кариотипом. У последнего, однако, наблюдается дефектный сперматогенез.

На этой стадии происходит первичная детерминация пола, которая включает формирование либо семенников, либо яичников из недифференцированной ткани гонады. Однако это еще не приводит к развитию полового фенотипа. Вторичная детерминация пола - это развитие женского или мужского фенотипов, обусловленное гормонами, которые вырабатывают яичники или семенники. И женская, и мужская детерминация пола включает два главных временных компонента. Первый из них реализуется в период органогенеза, второй - в юношеский период.

Как говорилось ранее, в отсутствие гонад возникает женский фенотип. Происходит развитие мюллеровых каналов и редукция вольфова. Формирование мужского фенотипа связано с секрецией тестикулярных гормонов, обусловливающих развитие вольфова канала и атрофию мюллерова. Первым начинает секретироваться - антимюллеровский гормон (АМГ). Этот белковый по своей природе гормон, секретируемый клетками Сертоли (поддерживающие клетки), вызывает дегенерацию мюллерова канала. Чувствительность мюллерова канала к этому гормону сохраняется в течение короткого периода времени, и семенники прекращают секрецию этого фактора незадолго перед рождением.

Второй гормон представляет собой стероид тестостерон, вырабатываемый клетками Лейдига (стероидогенные клетки). Этот гормон обусловливает дифференцировку вольфова канала в придаток семенника, семявыносящий канал и семенные пузырьки; из мочеполового бугорка под воздействием тестостерона развивается мошонка и половой член. Т.е. он приводит к маскулинизации плода, одновременно стимулируя редукцию зачатков молочных желез, которые развиваются первоначально у особей обоих полов.

Однако процесс детерминации пола, как и другие морфогенетические события, контролируются генетически на многих уровнях. Показано, в частности, существование генов, модифицирющих эффект гена SRУ-1. Замечены, в частности, различия в росте гонад самцов и самок: первые растут быстрее и этот более быстрый рост контролируется геном Gdy (growth and development), который расположен на Y-хромосомы мышей.

Наряду с системой формирования семенников из потенциально бисексуальных прогонад у млекопитающих участвуют и другие гены. Для появления клеток Сертоли, семявыносящих канальцев, клеток Лейдига и др. требуется взаимодействие целого ряда аутосомных и сцепленных с X-хромосомой факторов.

Можно выделить три основных этапа детерминации пола у высших (плацентарных) млекопитающих: закладка индифферентной гонады; детерминация пола гонады и ее первичная дифференцировка; гормонзависимая фаза дифференцировки пола. Первый этап связан с активностью генов WT1 (Wilmstumor 1) и SF1 (steroidogenic factor 1). Ген WT1, находящийся у человека на 11-ой хромосоме, отвечает за возникновение одной из форм детского рака, его нуль-мутация приводит к полному недоразвитию почек и гонад. SF1 кодирует орфан, ключевой регулятор ферментов, участвующих в образовании половых гормонов. При его нуль-мутации развитие гонад нарушается и они дегенерируют. Позднее его экспрессия продолжается в зачатке семенника. Одной из его мишеней является ген антимюллеровского фактора.

Второй этап – детерминация пола гонады – обусловлен активностью генов SRY (sex determining region of the Y) и DAX1 (DSS-AHC critical region of the X). Об SRY было написано выше. Одним из генов, который находится под контролем SRY, является ген Sox-9 (SRY-box related 9), он экспрессируется в клетках полового гребня после SRY. При мутациях по этому геному нарушается нормальное развитие скелета и происходит реверсия пола. Кроме этого, обнаружены гены аутосом, находящиеся под контролем гена SRY. Например, гены Tda (testis determining autosomal gene) и Tas (Testis associated sex reversal gene) являются необходимы для правильного развития семенников, при их мутациях может происходить реверсия пола. Для правильного образования яичников тоже необходимо участие различных генов. Важную роль в детерминации женского пола у млекопитающих играет расположенный в коротком плече Х-хромосомы локус DSS (dosage sensitive sex reversal), который находится в области АНС (делеции в этой области вызывают синдром гиплазии надпочечников АНС, adrenal hypoplasia congenital). Эти нарушения оказались связанными с мутациями в гене DAX1 (DSS-AHC critical region of the X). Оказалось, что избыточное количество белка DAX1 (при дупликации этого района) подавляет действие белка SRY и ведет к формированию женских особей с генотипом XY. Было выявлено, что белок DAX1 относится к семейству ядерных рецепторов гормонов. На ранних этапах развития он экспрессируется в клетках полового гребня у зародышей обоих полов. Позднее, когда начинается экспрессироваться SRY, его экспрессия прекращается, но продолжается у зародышей женского фенотипа. Критическое значение для развития яичника играет также аутосомный ген Wnt4a. Вероятно, он подавляет экспрессию тестостерона и антимюллеровского гормона, так как при его мутациях эти гормоны экспрессируются, что приводит к формированию мужского фенотипа.

Несмотря на большое количество информации о генах, определяющих развитие пола у млекопитающих, нельзя исключить, что наши представления являются упрощением реальной ситуации. Имеются свидетельства того, что некоторые признаки полового диморфизма появляются еще на предимплантационных стадиях (показано у грызунов, слепушонки р. Ellobius) – мужские зародыши растут быстрее, у них имеются антигенные различия, возможно SRY у XY-зародышей экспрессируется до имплантации. Кроме того, имеются данные об исчезновении у некоторых видов р. Ellobius гена SRY без всяких последствий – следовательно, его функцию выполняет какой-то другой ген.