3.9: Хромосоми та гени людини

Кожен вид має характерну кількість хромосом. Хромосоми – це згорнуті структури, виготовлені з ДНК та білків, званих гістонами (малюнок нижче). Хромосоми – це форма генетичного матеріалу клітини під час поділу клітин. Див. розділ «Хромосоми» для отримання додаткової інформації. Геном людини має 23 пари хромосом, розташованими в ядрі соматичних клітин. Кожна хромосома складається з генів та іншої ДНК, намотаної навколо гістонів (білків) в щільно згорнуту молекулу. Людський вид характеризується 23 парами хромосом, як показано на малюнку нижче. Подивитися коротку анімацію про хромосоми людини можна за цим посиланням: http://www.dnalc.org/view/15520-DNA-is-organized-into-46-chromosomes-including-sex-chromosomes-3D-animation.html. Хромосоми людини. У людини 23 пари хромосом. Пари 1-22 – аутосоми. Самки мають дві Х-хромосоми, а самці мають X і Y-хромосому.

Аутосоми

З 23 пар хромосом людини 22 пари є аутосомами (цифри 1—22 на малюнку вище). Аутосоми – це хромосоми, які містять гени за характеристиками, не пов’язаними зі статтю. Ці хромосоми однакові у самців і самок. Переважна більшість генів людини розташована на аутосомах. За посиланням нижче ви можете натиснути будь-яку хромосому людини, щоб побачити, які риси керують її гени. http://www.ornl.gov/sci/techresource. /chooser.shtml

статеві хромосоми

Решта пара хромосом людини складається з статевих хромосом, X і Y. самки мають дві Х-хромосоми, а самці – одна X і одна Y-хромосома. У жінок одна з Х-хромосом у кожній клітині інактивована і відома як тіло Барра. Це гарантує, що жінки, як і самці, мають лише одну функціонуючу копію Х-хромосоми в кожній клітині. Як видно з малюнка вище і на малюнку вище, Х-хромосома набагато більша, ніж Y-хромосома. Х-хромосома має близько 2000 генів, тоді як Y-хромосома має менше 100, жоден з яких не має важливого значення для виживання. (Для порівняння, найменша аутосома, хромосома 22, має понад 500 генів.) Практично всі гени Х-хромосоми не мають відношення до статі. Тільки Y-хромосома містить гени, що визначають стать. Один ген Y-хромосоми, який називається SRY (що розшифровується як ген Y, що визначає стать), запускає ембріон, щоб розвинутися в самця. Без Y-хромосоми людина розвивається в самку, тому ви можете думати про самку як про стать за замовчуванням людського виду. Чи можете ви придумати причину, чому Y-хромосома набагато менша за Х-хромосому? За наступним посиланням ви можете подивитися анімацію, яка пояснює, чому: www.hhmi.org/biointeractive/g. evolution.html.

Гени людини

Люди мають приблизно 20 000 до 22 000 генів. Це може звучати як багато, але це насправді не так: набагато простіші види мають майже стільки ж генів, як і люди. Однак клітини людини використовують сплайсинг та інші процеси, щоб зробити кілька білків з інструкцій, закодованих в одному гені. З 3 мільярдів пар основ в геномі людини лише близько 25 відсотків складають гени і їх регуляторні елементи. Функції багатьох інших пар основ досі незрозумілі. Щоб дізнатися більше про кодування та некодування послідовностей ДНК людини, перегляньте анімацію за цим посиланням: www.hhmi.org/biointeractive/d. sequences.html. Більшість генів людини мають два або більше можливих алелів, які є альтернативними формами гена. Відмінності алелей обумовлюють значну генетичну варіацію серед людей. Насправді більшість генетичних варіацій людини є результатом відмінностей в окремих основах ДНК всередині алелів.

Резюме

• У людини 23 пари хромосом. З них 22 пари – аутосоми.
• X і Y хромосоми – це статеві хромосоми. Самки мають дві Х-хромосоми, а самці – одна Х і одна Y.
• Хромосоми людини містять в цілому від 20 000 до 22 000 генів, більшість з яких мають два і більше алелів.

Дізнатися більше

Використовуйте цей ресурс, щоб відповісти на наступні питання.

• Хромосоми на http://www.genome.gov/26524120.

1. Що таке хромосома?
2. Яка роль хромосом при діленні клітин?
3. Чи всі живі істоти мають однакові типи хромосом?
4. Що таке центромери? Яка їх роль?
5. Що таке теломери? Яка їх роль?

Рецензія

1. Опишіть хромосоми людини.
2. Порівняйте і порівняйте аутосоми людини і статеві хромосоми.
3. Що таке SRY?
4. Чому самки є «статтю за замовчуванням» людського виду?

7.6: Статеві хромосоми

При виготовленні сперми шляхом мейозу X і Y хромосоми повинні розділятися в анафазі так само, як це роблять гомологічні аутосоми. Це відбувається без проблем, оскільки, як і гомологічні аутосоми, синапс X і Y хромосоми під час профази мейозу I. Існує невелика область гомології, що поділяється хромосомою X і Y, і синапсис відбувається в цій області. Малюнок 7.6.1 Синапсис X і Y-хромосом люб’язно надано C. Tease Це зображення показує синапсис X і Y хромосом миші під час профази мейозу I. перетин відбувається в двох областях спарювання, званих псевдоаутосомними областями. Вони розташовані на протилежних кінцях хромосоми.

Псевдоаутосомні регіони

Псевдоаутосомні області отримують свою назву, оскільки будь-які гени, розташовані всередині них (поки що знайдено лише 9) успадковуються так само, як і будь-які аутосомні гени. Самці мають дві копії цих генів: один в псевдоаутосомній області їх Y, інший у відповідній частині їх Х-хромосоми. Таким чином, чоловіки можуть успадкувати алель, спочатку присутній на Х-хромосомі свого батька, а жінки можуть успадкувати алель, спочатку присутній на Y-хромосомі свого батька. Малюнок 7.6.2 Y-хромосома людини Гени поза псевдоаутосомних областей Хоча 95% Y-хромосоми лежить між псевдоаутосомними областями, тут знайдено лише 27 різних функціональних генів. Більше половини цієї області становить генетично-безплідний гетерохроматин. З 27 генів, виявлених в еухроматині, деякі кодують білки, використовувані всіма клітинами. Інші кодують білки, які, здається, функціонують лише в яєчках. Ключовим гравцем цієї останньої групи є SRY.

СУХИЙ

1. У дуже рідкісних випадках анеуплоїдні люди народжуються з такими каріотипами, як XXY, XXXY і навіть XXXXY. Незважаючи на їх зайві Х-хромосоми, всі ці випадки чоловічі.
2. На цьому зображенні зображені дві миші з XX каріотипом (і, таким чином, вони повинні бути самками). Однак, як ви, можливо, зможете побачити, вони мають чоловічий фенотип. Це тому, що вони трансгенні для SRY. Запліднені XX яйцеклітини вводили ДНК, що несе ген SRY.

Хоча ці миші мають насінники, чоловічі статеві гормони та нормальну шлюбну поведінку, вони стерильні.

1. Ще одна рідкість: XX людей з тканиною яєчок, оскільки транслокація розмістила ген SRY на одну з Х-хромосом
2. Ще одна рідкість, яка демонструє випадок: жінки з каріотипом XY, які, незважаючи на свою Y-хромосому, є жінками через деструктивну мутацію в SRY.

У 1996 році тест на основі молекулярного зонда для SRY був використаний, щоб гарантувати, що потенційні конкуренти на жіночих олімпійських змаганнях в Атланті не мали гена SRY. Але через такі можливості у випадку 4, це тестування більше не використовується для екранування жінок-олімпійських спортсменок.

Х-хромосома

Х-хромосома несе майже 1000 генів, але мало хто, якщо такі є, мають щось спільне безпосередньо з сексом. Однак успадкування цих генів слідує особливим правилам. Вони виникають через те, що:

• самці мають тільки єдину Х-хромосому
• майже всі гени на X не мають аналога на Y; таким чином
• будь-який ген на Х, навіть якщо рецесивний у самок, буде виражений у самців.

Гени, успадковані таким чином, описуються як пов’язані з сексом або, точніше, Х-зв’язані.

Приклад X-зчеплення

Гемофілія – це порушення згортання крові, викликане мутантним геном, що кодує або

• фактор згортання крові VIII, що викликає гемофілію А або
• фактор згортання крові IX, що викликає гемофілію В.

Обидва гени розташовані на Х-хромосомі (показано тут червоним кольором). Маючи лише одну Х-хромосому, чоловіки, які успадковують дефектний ген (завжди від матері), не зможуть виробляти фактор згортання крові та страждають від важко контрольованих епізодів кровотечі. У гетерозиготних самок немутована копія гена забезпечить весь необхідний їм фактор згортання. Гетерозиготних самок називають «носіями», оскільки, хоча вони не проявляють симптомів, вони передають ген приблизно половині своїх синів, які розвивають хворобу, і половині своїх дочок, які також стають носіями.

Жінки рідко страждають гемофілією, оскільки для цього їм доведеться успадкувати дефектний ген від батька, а також матері. До недавнього часу мало хто з гемофілій коли-небудь ставав батьками.

Інактивація Х-хромосом (XCI)

Самки людини успадковують дві копії кожного гена на Х-хромосомі, тоді як самці успадковують лише одну (за деякими винятками: 9 псевдоаутосомних генів і невелика кількість генів «домашнього господарства», знайдених на Y). Але для сотень інших генів на X, чи є чоловіки в невигідному становищі за кількістю генного продукту, який виробляють їх клітини? Відповідь – ні, тому що самки мають тільки одну активну Х-хромосому в кожній клітині.

Під час інтерфази хромосоми занадто слабкі, щоб їх можна було пофарбувати і бачити за допомогою світлової мікроскопії. Однак щільна, плямиста структура, звана тілом Барра (на честь його першовідкривача), помічена в міжфазних ядрах ссавців самок. Тіло Барра – одна з Х-хромосом. Його компактний зовнішній вигляд відображає його бездіяльність. Так, клітини самок мають лише одну функціонуючу копію кожного Х-зчепленого гена — таку ж, як і самці.

Малюнок 7.6.4 Генетична мозаїка внаслідок інактивації Х-хромосом

Інактивація Х-хромосом відбувається на початку ембріонального розвитку. У даній клітині, яка з Х-хромосом жінки стає інактивованою і перетворюється в тіло Барра, є справою випадковості (за винятком сумчастих, таких як кенгуру, де завжди інактивована Х-хромосома батька). Після того, як сталася інактивація, всі нащадки цієї клітини матимуть однакову хромосому інактивацію. Таким чином, інактивація Х-хромосом створює клони з різним ефективним вмістом генів. Організм, клітини якого змінюються за ефективним вмістом генів і, отже, у вираженні ознаки, називається генетичною мозаїкою.

Механізм інактивації Х-хромосом

Для інактивації Х-хромосоми потрібен ген цієї хромосоми, який називається XIST.

• XIST транскрибується в довгу некодуючу РНК.
• XIST РНК накопичується вздовж X-хромосоми, що містить активний ген XIST, і продовжує інактивувати всі (або майже всі) з сотень інших генів цієї хромосоми.
• Тіла Барра – неактивні Х-хромосоми, «пофарбовані» XIST РНК.

Послідовність подій у мишах

• Під час перших клітинних поділів жіночої мишачої зиготи XIST локус на Х-хромосомі батька виражений, тому більшість його Х-зв’язаних генів мовчать.
• До того часу, коли бластоциста сформувалася, глушіння батьківської Х-хромосоми все ще триває в трофобласті (який буде продовжувати формувати плаценту), але
• у внутрішній клітинній масі (ICM, який буде продовжувати формувати ембріон) транскрипція XISTприпиняється на батьківській Х-хромосомі, що дозволяє виражати її сотні інших генів. Вимкнення локусу XIST здійснюється шляхом метилювання регуляторних послідовностей XIST. Отже, плюрипотентні стовбурові клітини ICM експресують обидві Х-хромосоми.
• Однак у міру протікання ембріонального розвитку знову починається інактивація Х-хромосом. Але на цей раз це абсолютно випадково. Немає прогнозування, чи буде це материнський X або батьківський X, який інактивується в даній клітині.

Деякі гени на Х-хромосомі уникнути інактивації

А як щодо тих 18 генів, які знаходяться на Y, а також X? Для жінок не повинно бути необхідності інактивувати одну копію цих, щоб тримати в рівновазі з ситуацією у чоловіків. І, як з’ясовується, ці гени уникають інактивації у самок. Просто те, як їм це вдається, все ще знаходиться під слідством.

Аномалії Х-хромосоми

Як ми бачили вище, іноді зустрічаються люди з аномальними числами Х-хромосом. На відміну від більшості випадків анеуплоїдії, які є летальними, фенотипічні ефекти анеуплоїдії Х-хромосоми зазвичай не є важкими.

• Самки з лише єдиною неушкодженою Х-хромосомою (зазвичай та, яку вона отримала від матері) у деяких (таким чином, генетична мозаїка) або у всіх її клітипах демонструють змінне сузір’я фенотипічних рис, що називається синдромом Тернера. Для тих дівчат, які доживають до народження, фенотипічні ефекти, як правило, м’які, оскільки кожна клітина має єдину функціонуючу Х-хромосому, як у жінок XX. Кількість тіл Barr = нуль.
• XXX, XXXX, XXXXX каріотипи: всі жінки з м’якими фенотипічними ефектами, оскільки в кожній клітині всі зайві Х-хромосоми інактивуються. Кількість тіл Барра = кількість Х-хромосом мінус один.
• Синдром Клайнфельтера: люди з XXY або XXXY каріотипами – чоловіки (через їх Y-хромосому). Але знову ж таки, фенотипічні ефекти зайвих Х-хромосом м’які, оскільки, як і у жінок, зайві Xs інактивуються і перетворюються в тіла Барра.

Визначення статі у інших тварин

Хоча самець плодової мухи, Drosophila melanogaster, є X-Y, Y-хромосома не диктує свою чоловічість, а скоріше відсутність другого X. Крім того, замість того, щоб самки закривали один X, щоб збалансувати один X самців – як ми це робимо – чоловічі мухи подвоюють вихід свого єдиного X щодо того, що у самок.

У птахів, метеликів, шистосом і деяких ящірок самець має дві однакові хромосоми (позначені ZZ), тоді як самка має «гетерогаметичні» хромосоми (позначаються Z і W). У курей єдиний ген на Z-хромосомі (позначений DMRT1), коли він присутній у подвійній дозі (ZZ), виробляє самців, тоді як наявність лише однієї копії гена виробляє самки (ZW).

Екологічне визначення статі

У деяких холоднокровних хребетних, таких як

• риби
• рептилії (наприклад, деякі змії, ящірки, черепахи та всі крокодили та алігатори)
• безхребетні (наприклад, деякі ракоподібні),

стать визначається після запліднення — не статевими хромосомами, що відкладаються в яйцеклітині.

Вибір зазвичай визначається температурою, при якій відбувається ранній ембріональний розвиток.

• У деяких випадках (наприклад, багато черепах та ящірок) більш висока температура під час інкубації сприяє виробленню самок.
• В інших випадках (наприклад, алігатори) більш висока температура сприяє виробленню самців.

Навіть у випадках (наприклад, деяких ящірок), де є статеві хромосоми, висока температура може перетворити генотипічного самця (ZZ) у самку.

Гермафродити

Гермафродити мають як чоловічі, так і жіночі статеві органи. Багато видів риб є гермафродитними.

Деякі починають як один стать, а потім, у відповідь на подразники в їх оточенні, переходять на інший.

Інші види мають одночасно і насінники, і зав’язі (але рідко запліднюються). Однак популяції C. elegans складаються здебільшого з гермафродитів, і вони лише запліднюють себе.

Гермафродитні риби не мають статевих хромосом.