Генетика людини

4.3. Успадкування ознак і стать

4.3.1. Генетика статі

Каріотип людини містить 22 пари аутосом та 1 пару статевих хромосом. Набори аутосом у чоловіків та жінок за формою одинакові, а пари статевих хромосом розрізняється. У жінок – це дві Х-хромосоми, а у чоловіків – Х-хромосома та Y-хромосома. Х-хромосома не відрізняється від аутосом середніх розмірів (№№ 6–12). Чоловіча статева Y-хромосома морфологічно подібна до найдрібніших хромосом (№№ 21, 22). (Див. мал.. 7 та 26).

Статеві хромосоми представлені в кожній соматичній клітині людини. При утворенні гамет під час мейозу гомологічні статеві хромосоми розходяться в різні статеві клітини. Отже, кожна яйцеклітина крім 22 аутосом несе одну статеву хромосому X, і її гаплоїдний набір складає 23 хромосоми. Всі сперматозоони також мають гаплоїдний набір хромосом, із яких 22 – аутосоми, а одна – статева. При цьому одна половина сперматозоонів містить Xхромосому, інша половина – Y-хромосому.

Табл. 7. Генетичне визначення статі у людини

Стать людини визначається у момент запліднення, коли хромосомні набори гамет об’єднуються. Згадаємо, що зигота містить 22 пари аутосом і одну пару статевих хромосом. Якщо яйцеклітину запліднив сперматозоон з Х-хромосомою, то в зиготі пара статевих хромосом буде XX, і з неї розвинеться дівчинка. Якщо ж запліднення здійснив сперматозоон з Yхромосомою, то набір статевих хромосом у зиготі – XY. Така зигота дасть початок чоловічому організму. Таким чином, стать майбутньої дитини визначає різногаметний за статевими хромосомами чоловік Співвідношення статей при народженні приблизно відповідає співвідношенню 1:1. (Табл. 7).

Проте насправді це не зовсім так. Співвідношення статей серед новонароджених (відоме як вторинне співвідношення статей на відміну від первинного співвідношення при заплідненні) трохи зсунуто у бік хлопчиків (102-106 хлопчиків на 100 дівчаток). Первинне співвідношення статей точно невідоме, але є деякі дані, що воно також мінливе. Виявилося, що як первинне, так і вторинне співвідношення статей залежить від тривалості періоду між статевим актом і овуляцією, від частоти статевих актів, загальних умов, включаючи навіть стан війни та миру. Цікаво, що й за штучного запліднення частка хлопчиків серед новонароджених виявляється істотно вище, ніж дівчаток.

Стать майбутньої дитини визначається не лише комбінацією статевих хромосом. Велику роль у цьому процесі у людини відіграє гормональна регуляція, що здійснюється під дією статевих гормонів, які синтезуються статевими залозами.

Людина за своєю природою двостатева. Зачатки статевої системи однакові у зародків обох статей. Якщо Y-хромосома відсутня або її активність пригнічена, то зачатки статевих органів розвиваються за жіночим типом. Їх розвиток не потребує спеціальних регуляторних механізмів і є самочинним.

Нормальні ж особини чоловічої статі розвиваються тільки у випадку, якщо всі статеві чоловічі гормони, діючі на зачатки зовнішніх і внутрішніх статевих органів, функціонують в певний час і у визначеному місці.

У даний час описано близько 20 різноманітних дефектів генів, які при нормальному чоловічому каріотипі (XY) приводять до порушення формування зовнішніх і внутрішніх статевих ознак. Внаслідок цього розвивається гермафродитний організм того чи іншого типу. Ці генні мутації пов’язані з порушенням синтезу статевих гормонів, сприйнятливості рецепторів до них тощо.

4.3.2. Успадкування ознак, зчеплених зі статтю

Статеві хромосоми X та Y частково гомологічні, бо мають спільні гомологічні ділянки, в яких локалізовані алельні гени. Проте, не дивлячись на це, вони значною мірою розрізняються за формою, розмірами та генетичним наповненням. Адже, крім гомологічних ділянок, X- та Y-хромосоми несуть велику кількість неалельних генів. В Х-хромосомі розташовані гени, яких немає в Y-хромосомі, а ряд генів Y-хромосоми відсутні в Х-хромосомі.

Таким чином, у чоловіків у статевих хромосомах деякі гени не мають відповідного алеля в гомологічній хромосомі. У такому разі ознака визначається не парою алельних генів, як звичайна менделююча ознака, а тільки одним алелем. Подібний стан гена називається гемізиготним, а ознаки, розвиток яких обумовлений одиночним алелем, розташованим в одній з альтернативних статевих хромосом, одержали назву зчеплених зі статтю. Такі ознаки розвиваються переважно у особин однієї статі і по-різному успадковуються у чоловіків та жінок.

Ознаки, зчеплені з Х-хромосомою, можуть бути домінантними та рецесивними.

Х-зчеплений домінантний тип успадкування. За домінантним Хзчепленим типом успадковуються переважно хвороби – гіпофосфатемічний рахіт, «заяча губа», фолікулярний гіперкератоз (надмірне зроговіння епідермісу шкіри), осередкова гіпоплазія (недорозвиненість органу або його частини), плямиста хондродисплазія (аномалії перетворення хрящової тканини в кісткову), темна емаль зубів та інші.

Такі ознаки виявляються у гемізиготних чоловіків та гетерозиготних жінок. Проте всі сини ураженого батька і здорової матері не несуть патологічних ознак, здорові також їхні діти. З іншого боку, всі дочки ураженого батька будуть уражені. Від уражених матерів хвороба передається дітям незалежно від статі з частотою 1:1 подібно до аутосомно-домінантного типу успадкування. Якщо уражені індивіди мають нормальну репродуктивну здатність, то в популяції хворі жінки зустрічаються приблизно в два рази частіше, ніж хворі чоловіки.

Характерним прикладом Х-зчепленого домінантного успадкування може бути недостатній вміст фосфору в крові (гіпофосфатемія), що часто спричиняє гіпофосфатемічний рахіт. У родоводі на мал. 33 всі дочки уражених чоловіків, одружених на здорових жінках, хворіли на гіпофосфатемію або рахіт, тоді як всі їхні сини були здоровими. Уражені матері мали як уражених, так і здорових синів і дочок приблизно порівну.

Мал. 33. Родовід сім’ї з гіпофосфатемічним рахітом

Варто відмітити, що у чоловіків симптоми захворювання, як правило, гостріші, ніж у жінок. Адже у останніх дія аномального домінантного алеля частково компенсується гомологічним нормальним алелем у парній Ххромосомі.

Х-зчеплений рецесивний тип успадкування. Рецесивними ознаками, які визначаються генами Х-хромосоми, є теж переважно хвороби – гемофілія, дальтонізм (нездатність розрізняти червоний і зелений кольори), атрофія зорового нерва, міопатія Дюшена (ушкодження скелетних м’язів) та інші.

Розглянемо успадкування, зчеплене з Х-хромосомою, на прикладі рецесивного гена гемофілії. У чоловіка ген гемофілії, локалізований в Ххромосомі, не має алеля в Y-хромосомі, тобто знаходиться в гемізиготному стані і звичайно проявляється. Щоб краще розібратися у генетичному механізмі успадкування цієї хвороби, застосуємо відповідні позначення: H — ген нормальної здатності крові скипатися, h — ген гемофілії,

X^HY — чоловік здоровий,

X^hY — чоловік, хворий на гемофілію; у жінок гемофілія може виявитися тільки в гомозиготному стані:

X^HX^H — жінка здорова,

X^HX^h — гетерозиготна здорова жінка, але є носієм гена гемофілії, X^hX^h — жінка, хвора на гемофілію.

Звичайно захворювання вражає чоловіків. Усі їхні здорові дочки є гетерозиготними носіями гену гемофілії, оскільки одержали від батька Ххромосому з аномальним геном.

Серед синів гетерозиготних матерів (X^HX^h) співвідношення хворих і здорових складає 1:1, оскільки гамети X^H та X^h утворюються з рівною вірогідністю.

Мал. 34. Родовід з Х-зчепленою гемофілією А в царських сім’ях Європи

Найвідомішим прикладом Х-зчепленого рецесивного успадкування стало успадкування класичної гемофілії типу А серед нащадків англійської королеви Вікторії (мал. 34). Королева Вікторія була гетерозиготною за геном гемофілії і передала його сину-гемофілику та трьом дочкам. Один із нащадків королеви – царевич Олексій (син останнього російського царя Миколи ІІ та внуки королеви Вікторії Аліси, яка була носієм гена гемофілії) також був уражений цією хворобою Згідно представленого родоводу, як і слід чекати при рецесивному X-зчепленому успадкуванні, хворіють на гемофілію лише чоловіки. Проте зустрічаються сім’ї, в родоводах яких є випадки близькоспоріднених шлюбів, коли гемофілія середнього ступеня виявляється і у жінок.

Успадкування ознак, зчеплених з Y-хромосомою. Окрім того, що присутність у геномі людини Y-хромосоми чітко визначає чоловічу стать, ця хромосома містить принаймні кілька десятків генів, у тому числі генів, що визначають розвиток сім’яників, контролюють інтенсивність росту, визначають волосатість середніх фаланг пальців, наявність волосся на зовнішньому краї вушних раковин (гіпертрихоз) і деякі інші ознаки. Ознака, ген якої локалізований в Y-хромосомі, передається від батька всім синам, і лише синам (мал. 35). Звичайно патологічні мутації, що зумовлюють порушення будови та функцій сім’яників, не успадковуються у зв’язку із стерильністю їх носіїв.

Мал. 35. Родовід із Y-зчепленим типом успадкування ознаки (волосатість середніх фаланг пальців)

Гомологічні зони X- та Y-хромосом містять алельні гени, які з однаковою вірогідність наявні у особин обох статей. До ознак, що визначаються цими генами, відносяться нездатність розрізняти кольори та пігментна ксеродерма (злоякісне ураження шкіри сонячними променями). Обидві патології рецесивні.

Ознаки, що визначаються алельними генами, розташованими в X- та Yхромосомах, успадковуються за класичними менделевими правилами.

Мітохондріальна, або цитоплазматична спадковість. Мітохондріальний геном представлений у вигляді кільцевої подвійної молекули ДНК, яка містить близько 17 тис. пар основ, що приблизно в 10 тис. разів менше, ніж в хромосомі середнього розміру.

Сьогодні визначено понад 10 мутацій мітохондріальних генів, які спричинюють різні захворювання, визначальними симптомами яких є тяжкі ураження ЦНС, органів зору, серця та м’язів. Серед цих патологій найпоширенішими є атрофія зорового нерва Лебера, хвороба Лея та інші, які об’єднуються в групу мітохондріальних енцефаломіопатій.

Оскільки мітохондрії успадковуються дитиною від матері з цитоплазмою овоцитів, усі діти хворої жінки успадкують патологію незалежно від їх статі. Уражені дівчата, виходячи заміж, народжуватимуть тільки хворих дітей, тоді як у хворих чоловіків усі діти будуть позбавлені цієї хвороби. (Мал. 36).

Мал. 36. Родовід з мітохондріальним типом успадкування патологічної ознаки (атрофія зорового нерва Лебера).

4.3.3. Успадкування, обмежене та контрольоване статтю

На характер прояву генів істотний вплив здійснює загальне генне середовище, або генетичний фон організму. Дуже важливим компонентом генетичного фону є статева конституція. Хоча пенетрантність і експресивність багатьох генів не залежить від статі, існує ряд генів, дія яких істотно розрізняється залежно від статі, не дивлячись на те, що самі ці гени розташовані в аутосомах і не мають відношення до визначення статі. Ознаки, обумовлені такими генами, бувають двох типів: обмежені статтю та контрольовані статтю.

Ознаки, обмежені статтю. Ознаки, обмежені статтю, фенотипово виявляються лише у однієї статі. Дослідами встановлено, що кількість і якість молока у самок ссавців контролюється генетично. Гени молочності розташовані в аутосомах і в рівній мірі присутні у обох батьків, але виявляються тільки у самок. Так, у самця морської свинки починається секреція молока, якщо у нього видалити сім’яники, які продукують статевий гормон, і вводити йому статевий гормон самки. У людини не вивчали обмеженого статтю прояву гена молочності, але можна припустити, що кількість і якість молока у жінок визначається генами, які наявні також і в чоловіків.

Поза сумнівом також те, що різні анатомічні і фізіологічні риси, властиві жіночій статі, такі, наприклад, як ширина тазу або вік настання менструацій, контролюються генами, що отримуються від обох батьків.

Таким же чином контролюються і такі суто чоловічі ознаки, як ріст волосся на обличчі або кількість і розподіл його на тілі. Це підтверджується наслідками міжетнічних шлюбів. Чоловіки-кавказці відрізняються більшою кількістю волосся на тілі, чим чоловіки-китайці. У синів же, народжених у шлюбі між представниками цих двох етнічних типів, часто спостерігається проміжний характер волосистості. Це є доказом того, що від матери також передаються гени волосистості, що виявляються тільки у дітей чоловічої статі.

У тварин відомо багато генів, що викликають безпліддя тільки у однієї статі. Наприклад, у великої рогатої худоби відомий рецесивний ген, який у гомозиготному стані призводить до безпліддя корів, а на плодючість биків не впливає.

Ознаки, контрольовані статтю. Обмеженість статтю є крайнім випадком явища, коли прояв деяких ознак залежить від статі. Якщо ж генотип виявляється у обох статей, але по-різному, то така дія гена вважається контрольованою (точніше – модифікованою) статтю.

Дослідження успадкування співецьких голосів у людини показало, що сопрано, мецо-сопрано, альт, тенор, баритон і бас контролюються багатьма взаємно незалежними чинниками, у тому числі статевою конституцією. При цьому розвиток голосового апарату у відповідному напрямі у чоловіків і жінок відбувається в період статевого дозрівання під впливом статевих гормонів.

Статевий контроль спостерігається також стосовно пенетрантності та експресивності багатьох інших ознак. Заяча губа і вовча паща є природженими аномаліями, що мають генетичну основу. Пенетрантність цього гена неповна, а експресивність варіює від вельми незначної борозенки до повного розщеплення м’якого і навіть твердого піднебіння. Контрольованість статтю виявляється в тому, що пенетрантність ознаки вища серед чоловіків, ніж серед жінок (близько 60% осіб з цим дефектом чоловічої статі), а ступінь вираження ознаки у чоловіків досить високий.

Ще виразніша контрольованість статтю спостерігається стосовно пенетрантності гена подагри. Припускається, що порушення обміну речовин, що є причиною цього патологічного стану (надмірний вміст сечової кислоти в крові), визначається домінантним аутосомним геном. Пенетрантність цього гена складає понад 80% у чоловіків і менше 12% у жінок, що і виявляється в переважанні цього захворювання у чоловіків.

Контрольованість статтю може приводити і до переважного ураження особин жіночої статі. Деякі спадкові вади, наприклад, відсутність головного мозку або подовжнє роздвоєння хребта, частіше зустрічаються у жіночих особин.

Ще однією типовою ознакою, що піддається контролю з боку статі, є облисіння. Аналіз успадкування цієї ознаки, як і багатьох інших ознак людини, стикається з істотними труднощами у зв’язку з тим, що облисіння може бути слабким або повним, лисина може виникати зі сторони лоба і на верхівці голови, з’являтися в ранньому віці або в зрілому. Крім того, в деяких випадках облисіння обумовлене якимись особливими обставинами – порушенням функції щитоподібної залози або перенесеними інфекційними хворобами. Проте більшість типів звичайного облисіння виникають у здорових людей і в багатьох родоводах виявляються в цілій низці поколінь або у членів одного покоління. Внаслідок цього спадкова основа цієї особливості цілком вірогідна.

Ця ознака може спостерігатися у обох статей, але відносно частіше вона зустрічається у чоловіків. Це обумовлено не зчепленням гена зі статтю, оскільки чоловік, схильний до облисіння, передає цю ознаку половині своїх синів і лише небагатьом дочкам. Якщо дана ознака спостерігається у обох батьків, то він виявляється або у всіх їх дітей, або у всіх синів і лише у деяких дочок. Крім того, виявлено, що у більшості лисих жінок батьки були схильні до облисіння.

Для пояснення цього явища було зроблено припущення, що облисіння контролюється одним геном. При цьому домінантний алель цього гена в гомозиготному стані (ВВ) обумовлює нормальний ріст волосся у представників обох статей. Особи, гомозиготні за рецесивним алелем (bb), характеризуються появою лисини незалежно від статі. У гетерозиготних чоловіків (Вb) лисина розвивається, а у гетерозиготних жінок ні.

Подібно до розвитку рогів у овець, ріст волосся у людей регулюється статевими гормонами. Євнухи рідко лисіють, а у жінок з пухлиною кори надниркових залоз, що супроводжується надлишковим утворенням чоловічого статевого гормону, спостерігаються не лише такі типові чоловічі риси, як ріст бороди і вусів, а й лисина. Після видалення пухлини ці ознаки зникають.