Dědičnost pohlaví Genetické principy základních způsobů rozmnožování

Transkript

1 Dědičnost pohlaví Vznik pohlaví (pohlavnost), tj. komplexu znaků, vlastností a funkcí, které vymezují exteriérové i funkční diference mezi příslušníky téhož druhu, je výsledkem velmi komplikované série vývojových změn pod hormonální a genetickou kontrolou. Pohlavnost se objevuje až na určitém stupni fylogenetického vývoje, udržuje a rozvíjí se do řady forem pro svůj pozitivní důsledek zvyšování genetické variability. Vznik pohlaví tedy úzce souvisí s fylogenetickým vývojem způsobů rozmnožování, jejichž obecným smyslem je zachování druhu. Genetické principy základních způsobů rozmnožování V průběhu evolučního vývoje se mechanismy reprodukce buňky i mnohobuněčných organismů vyvinuly do celé řady geneticky determinovaných forem. Přitom u fylogeneticky vyšších forem bylo předpokladem jejich vzniku a fixace vždy vytvoření specifických genetických mechanismů genů, které příslušný způsob rozmnožování determinovaly. Malým příkladem je např. sex - faktor bakterií umožňující jejich konjugaci a vzájemnou výměnu genetického materiálu, u mnohobuněčných organismů pak existence řady specifických genů v jejich genomu determinujících pohlavní dimorfismus v plné jeho šíři. Nepohlavní rozmnožování (amixis) je typické pro některé nižší organismy, ale i pro organismy systematicky výše postavené, některé druhy rostlin apod. Jde při něm o přímé pokračování jedince bez možnosti přímého vzniku genotypových změn u potomků. Pohlavní rozmnožování (amfimix) je způsob fylogeneticky vyšší a dokonalejší. Dochází při něm ke splynutí samčí a samičí pohlavní buňky gamety, které vznikají ve zvláštních orgánech gonádách. Vytváří-li oba typy pohlavních buněk jeden jedinec, hovoříme o hermafroditech. Při odděleném pohlaví hovoříme o gonochoristech. V procesu tvorby pohlavních buněk dochází k redukci diploidního počtu chromozómů na haploidní, procesu crossing-over a vzniku genových rekombinací, následné volné kombinovatelnosti vloh uložených v jednotlivých chromozómech, což jednoznačně vede ke zvýšení genotypové variability. Vývin tohoto způsobu rozmnožování ve fylogenezi sehrál proto jistě důležitou úlohu. Apomixis je zvláštním typem rozmnožování, při kterém nedochází ke splynutí pohlavních buněk. U některých druhů je normálním zjevem (některé druhy hmyzu), jindy k němu dochází jen při narušení normálního pohlavního rozmnožování. Zpravidla nový jedinec vzniká z neoplozené samičí gamety - partenogeneze, popřípadě z jiné buňky samičího pohlavního aparátu - apogametie. Apomiktických způsobů rozmnožování je celá škála. Všimněme si alespoň tzv. fakultativní partenogeneze u tzv. diplohaploidních organizmů, kam patří např. včely. U nich se z neoplozených vajíček líhnou haploidní trubci a z oplozených vajíček diploidní dělnice a matky. V embryu se tedy vyvíjí oplozené i neoplozené vajíčko. Apomixis proto narozdíl od amfimixis omezuje genotypovou variabilitu v rámci daného druhu.

2 V procesu evoluce organismů se diferencoval způsob pohlavního rozmnožování, který je typický pro většinu živočichů i řadu rostlinných druhů. V souvislosti s tím došlo i k diferenciaci zvláštních pohlavních chromozómů, (nebo také genozómů či heterochromozómů), které postupně akumulovaly vlohy zodpovědné za vznik pohlaví. Fylogenetický vývoj postupoval od nediferencovaných chromozómů přes geneticky diferencované až k morfologicky rozlišeným chromozómům pohlavním, označovaným následně symboly X a Y. Zřejmě vlivem pericentrických inverzí a crossing-overu došlo v průběhu evoluce k postupnému přemístění části chromozómové hmoty z Y chromozómu (který je menší) na X chromozóm. To potvrzuje i skutečnost, že mnoho lokusů je na X chromozómu homologních (determinující např. tutéž vlastnost) i u systematicky vzdálených druhů. Determinace pohlaví Determinací pohlaví rozumíme proces realizace řady mechanizmů podílejících se na určení pohlavnosti a vzniku konkrétního pohlaví. V podstatě můžeme rozlišit mechanizmy determinace pohlaví genetického a negenetického charakteru. Negenetické mechanismy determinace pohlaví jsou v biologii popsány v celé řadě forem, zejména u nižších živočichů. Převážně spočívají ve vlivu faktorů vnějšího prostředí na diferencující se indiferentní základ pohlaví. V závislosti na charakteru prostředí (teplota, světlo, ph a další) se z indiferentního základu diferencuje samčí nebo samičí pohlaví. U některých druhů želv, krokodýlů nebo ještěrek je již dlouho známo, že vznik pohlaví je závislý na teplotě v období inkubace zárodku ve vajíčku. takovéto typy determinace pohlaví lze považovat za primitivní formy předcházející určení pohlaví genetickými mechanismy. Genetické mechanismy determinace pohlaví jsou obecně založeny na existenci specifických genů, faktorů nebo pohlavních chromozómů, které se u jednotlivých pohlaví liší. Genové produkty těchto genů (proteiny, enzymy, hormony aj. produkty) jsou spoluzodpovědné za vznik pohlaví, pohlavních znaků (viz obr. č. 1).

3 Obr. č. 1: Model iniciace determinace gonád u savců Čas inhibice působení TDF genu pokud je přítomen působení Ovaria determinujícího genu (Od) gonády se vyvinou jako varlata gonády se vyvinou jako vaječníky samec samice Z naznačovaných skutečností je patrné, že za vznik pohlaví zodpovídá celá řada genů lokalizovaných jak na pohlavních chromozómech, tak i na autozómech. Již před znalostí těchto konkrétních genů, jejich lokalizace v genomu a dnes i nukleotidové sekvence, zobecněly základní teorie determinace pohlaví chromozómová a genotypová. Chromozómová teorie determinace pohlaví Podle této teorie je pohlaví jedince determinováno komplexem pohlavních chromozómů u samce a samice. Při tom se rozlišuje tzv. pohlaví homogametní, které má v somatických buňkách genotypické založení pohlavních chromozómů XX a pohlaví heterogamatní XY. Obě pohlaví vytvářejí v průběhu meioze pohlavní buňky s haploidním počtem chromozómů, to znamená že i heterochromozómový pár je v gametě zastoupen pouze jedním členem. Homogametní pohlaví vytváří proto jen jeden typ gamet, vždy pouze s chromozómem X, zatímco pohlaví heterogametní vytváří dva typy gamet, tj. gamety s chromozómem X a gamety s chromozómem Y. U některých živočišných druhů, např. ploštice, sarančata, mol, apod., chromozóm Y chybí a heterogametní pohlaví je potom dáno komplexem XO a vytváří rovněž dva typy gamet: gamety s chromozómem X a gamety bez pohlavního chromozómu. Při splynutí pohlavních buněk (oplození) mohou se podle zákona volné kombinovatelnosti jednotlivé typy gamet volně kombinovat (viz schéma) a dávat vznik opět homogametnímu a Samec X Y heterogametnímu pohlaví, přičemž Samice zastoupení obou pohlaví je 1:1. X XX XY X XX XY

4 Pohlavní typy Podle toho jaký komplex pohlavních chromozómů se na determinaci pohlaví podílí, a které pohlaví je homogametické nebo heterogametické, se rozlišují jednotlivé typy chromozómové determinace pohlaví. Základní typy jsou dva: a) Typ Drosophila (savčí) U tohoto typu homogametní je pohlaví samičí (XX) a heterogametní pohlaví samčí (XY). setkáváme se s ním u savců a většiny ryb, u dvoukřídlého hmyzu a také u dvoudomých rostlin. b) Typ Abraxas (ptačí) V tomto případě je homogametní pohlaví samčí (XX) a heterogametní samičí (XY). Tento způsob chromozómové determinace pohlaví je charakteristický pro ptáky, některé ryby a plazy, některé řády hmyzu apod. Obr. č. 2: Základní typy determinace pohlaví a jejich modifikace Vznik pohlaví a zajištění jeho stálého vyrovnaného poměru 1 : 1 ve sledu generací vyplývá z obr. č. 2. Genotypová teorie determinace pohlaví (teorie genové rovnováhy) Genotypová determinace pohlaví vychází ze skutečnosti, že pohlaví je vlastně komplexním fenotypem determinovaným řadou genů jak z pohlavních chromozómů, tak z autozómů, které se realizují pod vlivem vnějšího a vnitřního prostředí. Každá zygota je potencionálně bisexuální, o čemž svědčí indiferentní základ pohlavních žláz a jejich diferenciace až v průběhu embryonálního vývoje, jakož i možnost vzniku tzv. reverze pohlaví v ontogenezi za přirozených nebo experimentálních podmínek.

5 Klasické a moderní (DNA) metody identifikace pohlaví Identifikace pohlaví a s ním spojená možnost jeho regulace zajímá genetiky již několik desítek let. V současnosti existují dva přístupy: 1) Diferenciace spermií s X a Y chromozómem využívá základních fyzikálně-chemických rozdílů mezi spermiemi X a Y a) dělení podle různé hmotnosti spermie s Y chromozómem mají nižší hmotnost než spermie s chromozómem X, pro jejich oddělení lze použít např. centrifugaci b) dělení ne základě různé pohyblivosti v roztoku albuminu je předpokládán rychlejší pohyb lehčích Y spermií přes albumin, při použití této metody bylo ve vrchní frakci klony identifikováno 85% spermií s Y chromozómem c) dělení na základě specifické fluorescence Y chromozómu lze ji pozorovat pod mikroskopem při použití akridinových barviv d) dělení v elektrickém poli spermie s odlišným pohlavním chromozómem mají rozdílný elektrický náboj e) H-Y antigen podílí se na diferenciaci pohlaví, lze jej nalézt na spermiích, embryích a buňkách tkání (mimo erytrocytů a svalových buněk), protože gen pro H-Y antigen je uložen na Y chromozómu, lze předpokládat že spermie s tímto chromozómem mají na svém povrchu více antigenu a lze proto použít specifické protilátky f) dělení ne základě průtokové cytometrie (využití laserového paprsku) dává uspokojivé výsledky, je to však velice nákladná metoda a dochází k vyšší embryonální mortalitě po použití takto dělených spermií 2) Určení pohlaví u preimplantačních embryí využívá fyzikálně-chemické a imunologické rozdíly embryí různého pohlaví, k vyšetření využívá několik buněk získaných mikrobiopsií z embryí. a) analýza pohlavních chromozómů formou detekce sex chromatinu nebo určením karyotypu, chromozomální analýza je spolehlivá nejen při určení pohlaví, nýbrž i při stanovení aberací pohlavních chromozómů a jiných chromozomálních abnormalit, metoda je spolehlivá, ale zdlouhavá b) detekce H-Y antigenu pro detekci se obvykle používá cytotoxická reakce, jejímž cílem je usmrtit embrya s antigenem H-Y, při klonování embryí může být část takto vzniklých embryí použita pro určení pohlaví c) sexování embryí podle rozdílné rychlosti jejich vývoje využívá stanovení hladin enzymů (G-6-PD, HPRT) d) detekce pohlaví na základě hybridizací DNA, kdy pomocí značených DNA sond, komplementárních k sekvencím, které jsou jedinečné pro některé úseky Y chromozómu, je možné určit pohlaví, a to z několika buněk vydělených z časného embrya

6 Od roku 1990 je na Y chromozómu znám gen SRY. Tento gen lze metodami polymerázové řetězové reakce a polymorfismu délky restrikčních fragmentů stanovit z buněk oddělených z embrya. Protože SRY není na X chromozómu, je z výsledku PCR možné určit pohlaví embrya pokud se amplifikuje SRY gen, je embryo samčího pohlaví. V roce 1994 byla popsána další možnost identifikace pohlaví. Jedná se o gen amilogeninu, který se nachází v obou sex chromozómech. Identifikaci umožňuje delece 63bp v exonu tohoto genu na Y chromozómu. Amplifikací vznikají PCR produkty o různé velikosti, které jsou velmi snadno identifikovatelné metodou elektroforézy na agarozovém gelu. Problémy a diskusní otázky 1. Charakterizujte pohlavní a nepohlavní rozmnožování. 2. Znázorněte genotypový komplex chromozómů rodičů typu Drosophila u obou pohlaví (např. AAXX), vznik gamet a jejich možné kombinace. Stejnou analýzu proveďte i u typu Abraxas. Odvoďte shodu nebo rozdílnost při vzniku teoretického poměru pohlaví zygot u obou pohlavních typů. 3. Na příkladu včel vysvětlete způsob dědičnosti pohlaví u diplo-haploidních organismů a nakreslete schéma vzniku samce a samice, resp. trubce, matky a dělnice. 4. Charakterizujte podstatu chromozomální teorie dědičnosti pohlaví a rozdíl mezi jednotlivými typy. 5. Charakterizujte podstatu genové teorie dědičnosti pohlaví. 6. Popište některé metody identifikace pohlaví.