Основно съдържание

Курс: Биология 7-10 клас Общообразователна подготовка > Раздел 4

Урок 5: Генетични аномалии и болести при човека. Закономерности при унаследяването.

Х-свързана наследственост

Определяне на пола и полово свързана наследственост. Х и Y хромозоми. Наследственост, свързана с Х-хромозомата.

Ключови точки:

При хората и други бозайници биологичният пол се определя от двойка полови хромозоми: XY при мъже и ХХ при жени.
Гените на Х хромозомата се нарича Х-свързани. Х-свързаните гени имат отличителни модели на унаследяване, понеже са налични в различен брой при жени (ХХ) и мъже (XY).
Генетичните заболявания, свързани с Х хромозомата, при хората са много по-чести при мъжете, отколкото при жените, поради модела на унаследяване на белезите, свързани с половата Х хромозома.

Въведение

Ако си човек (което вероятно е така!), повечето от хромозомите ти идват в хомоложни двойки. Двете хромозоми от една хомоложна двойка съдържат една и съща основна информация – тоест едни и същи гени в един и същи ред – но може да носят различни версии на тези гени.

Всичките ти хромозоми ли са организирани в хомоложни двойки? Отговорът зависи от това дали си (хромозомно) мъж.

Човешкият мъж има две полови хромозоми, Х и Y. За разлика от $44$ ‍-те автозоми (не-полови хромозоми), Х и Y не носят едни и същи гени и не се приемат за хомоложни.
Вместо Х и Y една човешка жена има две Х хромозоми. Тези Х хромозоми образуват bona fide хомоложна двойка.

Понеже половите хромозоми не винаги са в хомоложни двойки, гените, които те носят, показват уникални, отличителни модели на унаследяване.

Полови хромозоми при човека

Човешките Х и Y хромозоми определят биологичния пол на един човек, като ХХ специфицира женски, а XY специфицира мъжки пол. Въпреки че Y хромозомата съдържа малка област, подобна на Х хромозомата, така че да могат да се свържат по време на мейозата, Y хромозомата е много по-къса и съдържа много по-малко гени.

За да поставим това в числа, Х хромозомата има около

800 - 900

протеин-кодиращи гени с разнообразни функции, докато Y хромозомата има само

60 - 70

протеин-кодиращи гени, около половината от които са активни само в тестисите (произвеждащите сперматозоиди органи)

^{1, 2, 3, 4}

Изображение, основано на идеограми от Genome Decoration Page, maintained by the U.S. NCBI.

Човешката Y хромозома играе ключова роля в определянето на пола на развиващ се зародиш. Това е предимно поради ген, наречен SRY ("полово определящ регион на Y"). SRY се среща в Y хромозомата и кодира протеин, който включва другите гени, нужни за развитие на мъж

^{5, 6}

XX ембрионите нямат SRY, затова се развиват като жени.
XY ембрионите имат SRY, затова се развиват като мъже.

В редки случаи грешки по време на мейозата може да пренесат SRY от Y хромозомата към Х хромозомата. Ако SRY-носеща Х хромозома оплоди нормална яйцеклетка, тя ще произведе хромозомно женски зародиш (ХХ), който се развива като мъж

^{7}

. Ако SRY-дефицитна Y хромозома оплоди нормална яйцеклетка, тя ще произведе хромозомно мъжки зародиш (XY), който се развива като жена

^{8}

Не, не всички. Молекулярните механизми на определянето на пола широко се различават измежду видовете, дори тези, които използват Х-Y система за определяне на пола. В повечето плацентни бозайници SRY се среща в Y хромозомата и се използва за определяне на пола. Но SRY генът не е наличен в други биологични видове с Х-Y системи за определяне на пола като плодовите мушици и други насекоми

^{9}

Х и Y хромозомите са еволюирали независимо много пъти

За да разберем как това е възможно, е полезно да помним, че "Х" и "Y" са само генетични названия, приложени към диморфни (ди- = две, -морфни = форма), или неподобни, хромозоми, откриващи се във видове с Х-Y системи за определяне на пола

^{10}

. Х е хромозомата, от която женският индивид има две, докато Y е хромозомата, свързана с единична Х при мъжкия индивид. Природата на хромозомите – какви гени има на тях и как те определят мъжкия или женския пол – може да са доста различни между видовете.

Половите хромозоми са еволюирали независимо много пъти

^{11}

. Следователно, въпреки че и половите мушици, и хората имат Х и Y хромозоми, които съвпадат с горното определение, и въпреки че XY и ХХ хромозомните комбинации съответстват на мъжки и на женски пол и при двата вида, механизмът за определяне на пола при мушиците е много различен от този при хората.

Пример: Хора и плодови мушици

При хората, както е описано по-горе, Y хромозомата специфицира мъжки пол чрез действието на SRY гена – главен регулатор на мъжкото развитие.

При мушиците наличието на единична Х хромозома специфицира мъжкия пол, докато наличието на две Х хромозоми специфицира женски пол, без значение от наличието или липсата на Y хромозома. (По, точно, изглежда, че полът е определен от съотношението на Х хромозомите към автозомите, като

1 : 2

съотношение специфицира мъжки пол, а

2 : 2

съотношение специфицира женски пол. Тези съотношения биват "измерени" чрез нивата на протеините, произведени от специфични гени на Х хромозомата и автозомите.)

^{12}

Поради тези разлики в механизмите за определяне на пола, ХХY мушица ще се развие като женска (виж статията за експериментите на Томас Хънт Морган), докато ХХY човек ще се развие като мъжки индивид (в състояние, познато като синдром на Клайнфелтър; виж статията върху широкомащабни хромозомни промени).

Х-свързани гени

Когато един ген е наличен на Х хромозомата, но не и на Y хромозомата, той се нарича Х-свързан. Х-свързаните гени имат различни модели на унаследяване от гени на не-половите хромозоми (автозоми). Това е понеже тези гени са налични в различни бройки в мъжете и жените.

Гените на Х или Y имат необичайни модели на унаследяване и се наричат полово-свързани; белези, свързани с пола, но Х-свързването е много по-често срещано от Y-свързването (тъй като има толкова много повече гени върху Х, отколкото върху Y).

Тъй като жената има две Х хромозоми, тя ще има две копия от всеки Х-свързан ген. Например при плодовата мушица Drosophila (която, като хората, има ХХ жени и XY мъже) има ген за цвета на очите, наречен бял, който се среща на Х хромозомата и женска плодова мушица ще има две копия от този ген. Ако генът е с два различни алела, като

X^{W}

(доминантен, нормални червени очи) и

X^{w}

(рецесивен, бели очи), женската муха може да има всеки от три генотипа:

X^{W}

X^{W}

(червени очи),

X^{W}

X^{w}

(червени очи) и

X^{w}

X^{w}

(бели очи).

Един мъжки индивид има различни варианти за своя генотип от един женски индивид. Тъй като той има само една Х хромозома (съчетана с Y), той ще има само едно копие от всеки Х-свързан ген. В примера за цвета на очите на мушиците двата генотипа, които един мъжки индивид може да има, са

X^{W} Y

(червени очи) и

X^{w} Y

(бели очи). Това какъв алел унаследява мъжката мушица за Х-свързания ген определя неговия външен вид, понеже няма друго генно копие – дори ако алелът е рецесивен при женските индивиди. Вместо хомозиготни или хетерозиготни, в този случай се казва, че мъжките индивиди са хемизиготни за гените, свързани с Х хромозомата.

Можем да видим как гените, скачени с пола, влияят на моделите на унаследяване, като разгледаме кръстосване между две мушици – една белоока женска (

X^{w} X^{w}

) с червеноок мъжки (

X^{W} Y

). Ако този ген беше на не-полова хромозома, или автозома, бихме очаквали всички наследници от поколението да са червенооки, понеже червеният алел е доминантен спрямо белия алел. Но всъщност виждаме следното:

Изображение на: "Characteristics and traits: Figure 10," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0

Понеже генът е Х-свързан и понеже женският родител е имал рецесивния фенотип (бели очи), всички мъжки наследници – които са получили единствената си Х хромозома от майка си – имат бели очи (

X^{w} Y

). Всички женски потомци имат червени очи, понеже са получили две Х хромозоми, като

X^{W}

от бащата скрива рецесивната

X^{w}

от майката.

Х-свързани генетични болести

Същите принципи, които виждаме в действие при плодовите мушици, могат да бъдат приложени към човешката генетика. При хората алелите за определени състояния (включително някои видове на цветна слепота, хемофилия и мускулна дистрофия) са Х-свързани. Тези заболявания са много по-чести при мъжете, отколкото при жените, поради техния Х-свързан модел на унаследяване.

Защо това е така? Нека проучим това, като използваме пример, при който майката е хетерозиготна по причиняващия заболяване алел. Жените, които са хетерозиготни за едно заболяване, се наричат носители и те обикновено не проявяват симптоми. Синовете на тези жени имат

50 %

шанс да получат заболяването, но дъщерите имат малък шанс да получат заболяването (освен ако и бащата не го носи), а вместо това ще имат

50 %

шанс да са носители.

Изображение на: "Characteristics and traits: Figure 10," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0

Защо това е така? Рецесивните Х-свързани черти се проявяват по-често при мъжете, отколкото при жените, понеже ако един мъж получи "лош" алел от майка си, той няма шанс да получи "добър" алел от баща си (който предоставя Y хромозома), който да скрие лошия. Жените, от друга страна, често ще получат нормален алел от бащите си, предотвратявайки изразяването на болестта, носена от алела.

Проучване на случай: Хемофилия

Нека разгледаме пример с решетката на Пънет, като използваме Х-свързана човешка болест: хемофилия, рецесивно състояние, при което кръвта на човек не се съсирва правилно

^{13}

. Човек с хемофилия може да има тежко, дори животозастрашаващо кървене от само малко порязване.

Хемофилията е причинена от мутация в един от два гена, и двата от които се намират в Х хромозомата. И двата гена кодират протеини, които помагат на кръвта да се съсирва

^{14}

. Нека се фокусираме само върху един от тези гени, наричайки функционалния алел

X^{H}

, а болестния алел

X^{h}

В нашия пример жена, която е хетерозиготна с нормален и хемофилен алел (

X^{H} X^{h}

), има деца с мъж, който е хемизиготен за нормалната форма (

X^{H} Y

). И двамата родители имат нормално кръвосъсирване, но майката е носител. Какъв е шансът синовете и дъщерите им да имат хемофилия?

Решетка на Пънет, която показва потенциалните генотипове на децата на баща с нормално съсирване (

X^{H} Y

) и хетерозиготна майка-носител (

X^{H} X^{h}

		$X^{H}$ ‍	$Y$ ‍
$X^{H}$ ‍		$X^{H} X^{H}$ ‍	$X^{H} Y$ ‍
$X^{h}$ ‍		$X^{H} X^{h}$ ‍	$X^{h} Y$ ‍

Всички дъщери (

X^{H} X^{H}

X^{H} X^{h}

) имат нормално кръвосъсирване, понеже те имат поне един

X^{H}

алел.

1 / 2

от дъщерите са носителки, докато другата половина са хомозиготни по

X^{H}

алела.

1 / 2

от синовете са

X^{H} Y

и имат нормално кръвосъсирване.

1 / 2

от синовете са

X^{h} Y

и имат хемофилия.

Тъй като майката е носител, тя ще предаде алела за хемофилия (

X^{h}

) на половината от децата си, и момчета, и момичета.

Никоя от дъщерите няма да има хемофилия (нулев шанс за заболяване). Това е така, понеже за да имат заболяване, те трябва да имат $X^{h}$ ‍ алел и от майка си, и от баща си. Има $0$ ‍ шанс дъщерите да получат $X^{h}$ ‍ алел от баща си, така че цялостният им шанс да имат хемофилия е нула.
Синовете получават Y от баща си, вместо Х, така че единственото им копие на гена за кръвосъсирването идва от майка им. Майка им е хетерозиготна, така че половината от синовете, средно, ще получат $X^{h}$ ‍ алел и ще имат хемофилия ( $1 / 2$ ‍ шанс за заболяването).

Да, възможно е жена да има рецесивно Х-свързано състояние, каквото е хемофилията. Но тя трябва да получи две рецесивни копия на Х-свързания ген (по един от всеки родител), за да има състоянието. Шансовете за това са много по-ниски от шансовете мъж да получи само един рецесивен алел от майка си.

Провери знанията си

Коя от следните двойки родители е най-вероятно да има дъщеря с хемофилия?
Избери един отговор:
(Избор А)
Майка, болна от хемофилия и незасегнат баща
(Избор Б)
Майка носител и незасегнат баща
(Избор В)
Майка носител и баща, болен от хемофилия
(Избор Г)
Незасегната майка не-носител и баща, болен от хемофилия
Тъй като хемофилията е рецесивно заболяване, една жена трябва да получи два алела на заболяването (един на всяка Х хромозома), за да демонстрира заболяването. Следователно тя трябва да получи алела на заболяването и от майка си, и от баща си.
Тъй като хемофилията е Х-свързано разстройство, мъжете са хемизиготни за хемофилия-свързан ген (имат само един алел и демонстрират фенотипа, свързан с този алел). За да имат хемофилен алел, който може да бъде предаден на поколението, самият мъж трябва да бъде болен от хемофилия. Двойки родители, при които мъжът не е болен от хемофилия, не могат да прозведат дъщеря, болна от хемофилия, с изключение на редки събития като спонтанни мутации в зародиша или по време на развитието на ембриона.
Жени, които са или хомозиготни за хемофилния алел (болни от хемофилия), или хетерозиготни за хемофилния алел (незасегнати носители), могат да предадат хемофилен алел на своето поколение. Двойки родители, при които жената не е нито болна от хемофилия, нито носител, не могат да произведат дъщеря, болна от хемофилия (отново, с изключение на редки спонтанни мутационни събития).
От двойките по-горе, най-вероятно е за майка носител и баща, болен от хемофилия, да имат дъщеря, болна от хемофилия.

Източници

Тази статия е модифицирана производна на "Characteristics and traits," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.53.

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Х хромозома. (2015, 11 декември). Получено 11 декември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/X_chromosome.
Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В., и Джаксън, Р. Б. (2011). Хромозомната основа на пола. В Кампбел биология (10-то издание, стр. 296-297). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.
Х хромозома. (2012). В Genetics home reference. Получено от http://ghr.nlm.nih.gov/chromosome/X.
Y хромозома. (2010). В Genetics home reference. Получено от http://ghr.nlm.nih.gov/chromosome/Y.
Meiosis. (2015). In HHMI biointeractive. Retrieved from http://www.hhmi.org/biointeractive/meiosis.
SRY. (2015). In Genetics home reference. Retrieved from http://ghr.nlm.nih.gov/gene/SRY.
46,XX testicular disorder of sex development. (2008). In Genetics home reference. Retrieved from https://ghr.nlm.nih.gov/condition/46xx-testicular-disorder-of-sex-development.
Swyer syndrome. (2015). In Genetics home reference. Retrieved from https://ghr.nlm.nih.gov/condition/swyer-syndrome.
King, V., Goodfellow, P. N., Pearks Wilkerson, A. J., Johnson, W. E., O'Brien, S. J., and Pecon-Slattery, J. Evolution of the male-determining gene SRY within the cat family Felidae. Genetics, 175(4), 1855-1867. http://dx.doi.org/10.1534/genetics.106.066779.
Dimorphism. (2015). In Fine dictionary. Retrieved from http://www.finedictionary.com/dimorphism.html.
Bachtrog, Doris. (2013). Y chromosome evolution: Emerging insights into processes of Y chromosome degeneration. Nature Reviews Genetics, 14(2), 113-124. http://dx.doi.org/10.1038/nrg3366. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4120474/.
Gilbert, S. F. (2000). Chromosomal sex determination in Drosophila. In _Developmental Biology (6th ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10025/.
Hemophilia. (2015). In Genetics home reference. Retrieved from https://ghr.nlm.nih.gov/condition/hemophilia.
Kimball, J. W. (2015, December 23). Sex chromosomes. In Kimball's biology pages. Retrieved July 27, 2016 from http://www.biology-pages.info/S/SexChromosomes.html.

Допълнителни източници:

Бахтрог, Дорис. (2013). Еволюция на Y хромозомата: Развиващи се прозрения в процесите на Y хромозомна дегенерация. Nature Reviews Genetics, 14(2), 113-124. http://dx.doi.org/10.1038/nrg3366. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4120474/.

Бергман, Д. К. (2011). Genetics lecture notes. Biosci41, Stanford University.

Bourke, A. F. G. and Franks, N. R. (1995). Relatedness and reproductive value in the social Hymenoptera. In Social evolution in ants (p. 78). Princeton, NJ: Princeton University Press.

Боуен, Р. А. (2000. 17 август). Подготовка на кариотип. В General and medical genetics. Получено от http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/genetics/medgen/chromo/cytotech.html.

Карвалхо, А. Б., Коерич, Л. Б., и Кларк, А. Г. (2009). Произход и еволюция на Y хромозоми: Приказки за Drosophila. Trends in Genetics, 25(6), 270-277. http://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2009.04.002. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2921885/.

Дийб, С. С. и Мотулски, А. Г. (2015. 5 февруари). Дефекти във възприятието за червено-зелен цвят. В GeneReviews. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1301/.

Генетични фактори и хормони, които определят пола. (2007, 27 юни). В Human embryology: Organogenesis. Получено от http://www.embryology.ch/anglais/ugenital/molec02.html.

Хаплодиплоидия. (2015, 7 ноември). Получено 11 декември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Haplodiploidy.

Kimball, J. W. (2015, December 23). Sex chromosomes. In Kimball's biology pages. Retrieved July 27, 2016 from http://www.biology-pages.info/S/SexChromosomes.html.

Кремпълс, Д. М. (n.d.). Генетика на трицветни котки. Получено от www.bio.miami.edu/dana/dox/calico.html.

Колеж ОупънСтакс, Биология. (2015, 13 май). Хромозомна основа на наследени заболявания. В OpenStax CNX. Получено от http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:65/Chromosomal-Basis-of-Inherited.

OpenStax College, Биология. (2015, 13 май). Хромозомна теория и генетична връзка. В OpenStax CNX. Получено от http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:64/Chromosomal-Theory-and-Genetic

OPN1LW. (2015). В Genetics home reference. Получено от http://ghr.nlm.nih.gov/gene/OPN1LW.

Псевдоавтозомен участък. (2015, 2 септември). Получено 16 декември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Pseudoautosomal_region.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2003). Sex determination and sex-linked inheritance. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 125-144). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Sex-linked genes exhibit unique patterns of inheritance. In Campbell biology (10th ed., pp. 205-209). San Francisco, CA: Pearson.

Тестис-определящ фактор. (2015, 10 ноември). Получено 11 декември 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Testis_determining_factor.

X0 система за определяне на пола (2015, 20 юли). Получено 11 декември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/X0_sex-determination_system.

XY система за определяне на пола (2015, 19 ноември). Получено 11 декември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/XY_sex-determination_system.

ZW система за определяне на пола (2015, 16 ноември). Получено 11 декември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/ZW_sex-determination_system.

Зиготност. (2015, 29 ноември). Получено 11 декември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Zygosity.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.