Tema 9. Genetica sexului 1. Biologia sexului. 2. Mecanisme cromozomale de determinare a sexului. 3. Teoria echilibrului genetic n determinarea sexului la drozofil. 4. Ereditatea sexului la plantele superioare dioice. 5. Principii de baz ale diferenierii primare a sexului la mamifere. 6. Corpusculul Barr.7. Ereditatea caracterelor limitate de sex, influenate de sex, nlnuite cu sexul.

1. Biologia sexului. Sexul este unul din cele mai complexe caractere structurale i funcionale. n toate populaiile naturale ale organismelor superioare exist un dimorfism sexual bine pronunat. Sexul include: a) caractere sexuale primare care particip nemijlocit n formarea gameilor i fecundare. b) caractere sexuale secundare care nu produc gamei, nu particip la fecundare, ns stimuleaz mperecherea animalelor (comportamentul, tembrul vocii, coloraia penajului etc.). Majoritatea speciilor de plante sunt bisexuate. Plantele bisexuate hermafrodite au n aceeai floare organe sexuale masculine i feminine (gramineele, leguminoasele, pomii fructiferi etc.) i monoice la care florile mascule i femele sunt separate, dar se gsesc pe aceeai plant (porumbul). Doar puine specii de plante sunt unisexuate sau dioice, la care organele masculine i feminine sunt situate pe plante diferite (cnepa, hameiul, plopul, salcia etc.). S-a constatat c la plantele dioice, mecanismul care asigur determinarea sexelor e asemntor cu acela care se ntlnete la animale. La marea majoritate a specilor de animale sexul organismului este determinat n momentul fecundrii, n funcie de tipul genetic al gameilor care fuzioneaz (mecanism singamic). Pe lng factori genetici determinarea sexului e influenat de activitatea unor gene specifice i de activitatea hormonal, astfel se explic apariia fenomenului de inversare a sexului la unele organisme. La viermele de mare Bonella viridis determinarea sexului are loc dup fecundare, n procesul dezvoltrii individuale ale organismului (mecanism epigamic). Iniial zigotul este asexuat. Dac larvele viermelui de mare Bonella viridis se dezvolt pe trompa matern, atunci se transform n masculi microscopici, care migreaz apoi n cile genitale feminine. Aici acetia triesc n calitate de parazii, ndeplinindu-i unica funcie fertilizarea ovulelor. Larvele viermelui se transform n femele, dac se dezvolt liber n ap. La viermele Dinophilus sexul viitorului zigot e determinat nainte de fecundare n procesul de maturizare a gametului femel (mecanism progamic). Viermele Dinophilus depune 2 feluri de ou. Dup fecundare din oule mici se dezvolt masculi, din cele mari femele. 2. Mecanisme cromozomale de determinare a sexului. n funcie de repartizarea cromozomilor sexului la cele dou sexe se disting dou tipuri eseniale de determinism sexual: tipul Drosophila, la care sexul masculin este heterogametic, iar sexul feminin este homogametic i tipul Abraxas, la care sexul femel este heterogametic, iar cel masculin este homogametic.

1

Tipul de determinism sexual Drosophila, subtipul Ligaeus Drosophila, subtipul Protenor Abraxas, subtipul Pasre Abraxas, subtipul Fluture

XX XX ZW ZO

XY XO ZZ ZZ

Obiectul Omul, drozofila Lcuste, greieri, gndaci, plonie, pianjeni. Psri, amfibieni, viermele de mtase. Peti, reptile.

Organismele partenogenetice (albine, viespi, furnici) n-au cromozomi ai sexului, sexul este determinat de ntregul set de cromozomi, iar fenomenul a fost denumit determinism sexual haploidic. Familia de albine este format din albini lucrtoare, mtci i trntori. Doar matca i trntorii au glande de reproducere dezvoltate normal. Albinele lucrtoare nu se pot mperechea cu trntorii ntruct au ovarele slab dezvoltate. Matca depune 2 tipuri de ou fecundate i nefecundate. Din cele fecundate (2n) se dezvolt albinele i mtcile (2n = 32), iar din cele nefecundate trntorii (n = 16). Prin partenogenez se por reproduce i specii de animale care au cromozomi ai sexului. Partenogeneza reprezint fenomenul de dezvoltare a unui individ dintr-un ovul sau oosfer nefecundat. Partenogeneza poate fi : facultativ, cum este cazul la albine, unde matca poate da natere la albine lucrtoare, care provin din ou fecundate i la trntori din ou nefecundate; permanent, cnd se produce n tot cursul vieii (la unele insecte, crustacee, peti, reptile) (fig. 2); sezonier, cnd ntr-o anumit perioad a anului femelele se reproduc prin partenogenez, iar n alt perioad a anului prin ovule fecundate (dafnii).

Fig. 1. Specii de oprle din genul Cnemidophorus: C. inornatus (stnga) C. tigris (dreapta) F1 specia asexuat C. neomexicanus (centru)

2

Fig. 2a. Komodo dragon (Varanus komodoensis)

Fig. 2b. Pui de dragon partenogenetic din grdina Zoo din Chester, Anglia

Fig. 3. Boa constrictor se poate reproduce prin partenogenez

O varietate a partenogenezei reprezint fenomenul de ginogenez. n acest caz gametul mascul poate s se alipeasc de oosfer, dar nu fuzioneaz cu nucleul ei. Se pare c rolul spermatiei este de a stimula oosfera la dezvoltarea partenogenetic a unui organism nou, care va moteni zestrea ereditar matern. Acest fenomen se ntlnete la unele specii de salamandre din genul Ambystoma. n alte situaii embrionul poate s se dezvolte numai din nucleul spermatic i citoplasma ovulului, fr participarea pronucleului feminin. Acest fenomen se numete androgenez. 3. Teoria echilibrului genetic n determinarea sexului la drozofil.

3

Calvin Bridges (1922) a demonstrat rolul cromozomilor autozomi n determinarea sexului la drozofil. El a stabilit c sexul la drozofil depinde de raportul dintre numrul de cromozomi X i numrul de garnituri de cromozomi autozomi (X/A) teoria echilibrului genetic. ncrucind o femel triploid (3n) cu masculi diploizi (2n) normali el a obinut n descenden indivizi la care numrul de autozomi i heterocromozomi era variabil. P: 3X3A XY2A F1 XX/2A femel normal (1); XXX/3A femel normal (1); XY/2A mascul normal; XXX/2A superfemel (1.5); XY/3A supermascul (0.33); XX/3A indivizi intersex. XXY/2A femel normal. Cromozomul Y la drozofil nu joac nici un rol n determinarea sexului masculin, este inert genetic. 4. Ereditatea sexului la plantele superioare dioice. Cromozomii sexului sunt prezeni doar la plantele dioice. Mecanismele genetice de determinare a sexului la plantele dioice sunt urmtoarele: plante cu sexul mascul heterogametic (XY) i sexul femel homogametic (XX) Melandrium album, Cannabis sativa, Humulus lupulus; plante cu sexul mascul heterogametic (XO) i sexul femel homogametic (XX) Discorea sinuata, Vallisneria spiralis; plante cu sexul mascul heterogametic cu extracromozom XY1Y2 i sexul femel homogametic (XX) Humulus lupulus, H. japonicus. La plantele dioice raportul dintre sexe poate varia n limite relativ mari. De exemplu la humulus predomin sexul femel. La cnep se observ fenomenul de dubl sexualitate, plantele masculine pot forma i flori femele i diferite forme tranzitorii dintre cele 2 sexe sub influena t, nutriiei, salinitii, anotimpului. La diferite specii de plante i animale determinismul sexelor se realizeaz prin intervenia uneia sau a mai multor gene amplasate pe cromozomii sexului sau pe autozomi. Astfel, au fost descoperite gene la porumb, care determin inversarea sexului n cadrul unei plante. De exemplu, genele tassel seed (ts) n stare homozigot determin feminizarea inflorescenei masculine i se formeaz boabe n panicul (fig. 1).

Fig. 4. Tassel seed

4

Gena recesiv teosinte branched (tb) este responsabil pentru formarea paniculului n loc de tiulete (fig. 2).

Fig. 5. Teosinte branched

5. Principii de baz ale diferenierii primare a sexului la mamifere. Indiferent de constituia genetic (XX sau XY) a zigotului, la a asea sptmn de la fertilizarea ovulului, este deja format o gonad primordial (progonad) i dou perechi de canale (canalele Wolf i canalele Muller) primordii ale organelor genitale masculine i feminine. Diferenierea primar a sexului ncepe cu apariia n progonade a unor linii celulare specializate celulele Sertoli, care secret hormonul antimullerian (MIS Muller Inhibiting Substance). Acest hormon produce regresia ductelor Muller primordii ale trompelor uterine i ale uterului. De asemenea hormonul inhib dezvoltarea ovarului.

5

Fig. 6. Dezvoltarea gonadelor la mamifere. a embrion cu progonad, b schema sistemului urogenital la embrion n curs de difereniere.

n testiculul embrionar se difereniaz un grup de celule celule Leydig, care ncep s secrete testosteron. Acest hormon iniiaz diferenierea structurilor genitale masculine interne, derivte din canalele Wolf. Din aceste ducte se dezvolt epididimul, vezicula seminal. Din sinusul urogenital se dezvolt prostata. Apoi are loc diferenierea organelor masculine externe n absena hormonului antimullerian canalele Muller continu dezvoltarea, dezvoltndu-se n structurile tractului reproductiv feminin: trompele uterine, uterul, cervixul i partea superioar a vaginului. Vaginul se formeaz dintr-un esut provenit din sinusul urogenital. Canalele Wolf regreseaz n absena secreiei de testosteron. Structurile genitale feminine interne i externe sunt dezvoltate complet n sptmna a 16-a de dezvoltare.

6

Fig. 7. Stadiile succesive de determinare a sexului masculin.

Gene implicate n diferenierea sexual masculin. Sinteza factorului de determinare a testiculelor (TDF Testicle Determinig Factor) este determinat de gena SRY (sex determining region Y chromozome). Gena uman SRY nu conine introni, cuprinde 2100 pb i codific o protein alctuit din 204 de aminoacizi. SRY este localizat n braul scurt al cromozomului Y, n apropiere de regiunea pseudoautozomal PAR1 (omoloag cu cromozomul X).

Fig. 8. Cromozomul Y (2-3% din genomul haploid).

Se consider c activitatea genei SRY nu este o condiie suficient pentru formarea testiculelor din progonadele bisexuale. Pentru apariia celulelor Sertoli, celulelor Leydig este necesar interaciunea genei SRY cu factori autozomali i factori ai cromozomului X. 6. Corpusculul Barr. S-a stabilit, c la femelele mamiferelor, n cursul dezvoltrii embrionare, are loc inactivarea unuia dintre cei doi cromozomi X, care se condenseaz i poate fi pus n eviden prin anumite metode de colorare. Acesta apare n nucleii interfazici sub forma unui corpuscul, intens colorat, de form triunghiular sau oval.

Fig. 9. Corpuscul Barr

La om apariia cromatinei sexuale are loc la 16-18 zile de la fecundare, atunci cnd embrionul este alctuit din 3000-4000 de celule. Aadar, la masculi i la femele

7

funcioneaz doar un cromozom X. Unul dintre cromozomii X se inactiveaz la ntmplare, prin urmare femelele mamiferelor reprezint nite mozaicuri genetice. Acest fenomen de inactivare ntmpltoare a unui cromozom X la femele se observ fenotipic la pisicile calico, pestrie (fig. 7) i la femeile care sufer de displazie anhidrotic ectodermal (fig. 9).

Fig. 10. a) pisica calico; b) pisica pestri

Fig. 11. Carbon copy prima pisic clon calico

Fig. 12. Displazie anhidrotic ectodermal

Sensul biologic al inactivrii funcionale a unui cromozom X la mamifere, precum i la om, const n fenomenul de compensare a dozei genelor, ntruct n cariotipurile indivizilor de sex masculin se gsete un cromozom X, iar indivizii de sex feminin au doi cromozomi X. Deci, acesta este un mecanism de reglare a activitii genelor n ontogenez, la nivel de cromatin. Astfel, posibilitile genotipice a cariotipurilor masculine i feminine se echilibreaz.

8

Identificarea prezenei sau absenei corpusculului Barr (testul cromatinei sexuale) este o metod indirect de determinare a sexului genetic al unei anumite persoane i a diferitor maladii heterozomale. n celulele femeilor, care sufer de sindromul Turner (cariotipul XO), este absent corpusculul Barr. Aceti indivizi au ovare slab dezvoltate, talie mic, malformaii somatice (anomalii cardiace, renale, scheletice), dereglri psihice, intelect redus. Brbaii afectai de sindromul Klinefelter (cariotip XXY) au un cromozom X suplimentar. Nucleele interfazice ale celulelor acestor bolnavi au un corpuscul Barr. Aceti brbai sufer de atrofie a testiculelor, sunt sterili, au afeciuni psihice, intelect redus, de regul, au o talie nalt, membre alungite, sunt agresivi. n celulele bolnavilor cu cariotipul XXX se gsesc doi corpusculi cromatici. Aadar, numrul corpusculilor Barr este egal cu numrul cromozomilor X-1.7. Ereditatea caracterelor limitate de sex, influenate de sex, nlnuite cu sexul.

n unele cazuri ambele sexe posed aceleai gene, ns unele caracteristici se manifest fenotipic numai la unul dintre sexe. De exemplu, producia de lapte la animale, producia de ou la psri se numesc caractere limitate de sex. Alt caracter limitat de sex este forma penajului la unele rase de gini. Astfel, forma penajului este determinat de o singur gen autozomal H, ns expresia acesteia este modificat de aciunea hormonilor. Penajul de tip feminin este determinat de alela dominant H. Genotip HH Hh hh Fenotip penaj de tip feminin penaj de tip feminin penaj de tip feminin Fenotip penaj de tip feminin penaj de tip feminin penaj de tip masculin

Fig. 13. Caracter limitat de sex

Unele caractere pot fi dominante sau recesive, la un organism heterozigot din F1, n funcie de sexul individului. Aceste caractere se numesc influenate de sex. Organisme cu aceleai gene realizeaz fenotipuri n dependen de sex. De exemplu, la femelele hibride domin un caracter, la masculii hibrizi alt caracter. A prezena coarnelor a absena coarnelor B inhib formarea coarnelor la femele b nu inhib. P: AAbb aaBB F1 AaBb femele fr coarne, masculi cu coarne.

9

Genotip BB Bb bb

Fenotip chelie pr pr

Fenotip chelie chelie pr

Fig. 14. Caracter influenat de sex

Caracterele cuplate cu sexul sunt determinate de genele localizate n cromozomii sexului X sau Y. Ereditatea criss-cross reprezint fenomenul prin care un caracter de la forma matern se transmite descendentului de sex masculin, iar un caracter de la forma patern la individul de sex feminin; spre exemplu culoarea ochilor la drozofil. A ochi rosii a ochi albi P: A//A a/y F1 A/ a/ A//a P: a//a A/y F1

y A/y

a/

A/ A//aFig. 15. Ereditatea culorii ochilor la drozofil

y a/y

Hemizigot individul diploid care posed ntr-un anumit locus doar o singur alel din pereche. Hemizigoia se ntlnete la organismele haploide, la indivizii cu sexul heterogametic sau cu deleii cromozomale pariale. n cromozomul X la drozofil sunt localizate cca.500 de gene, majoritatea acestora n-au alele n cromozomul Y. De asemenea sunt gene localizate doar n cromozomul Y. Acestea se transmit holandric, doar cu cromozomul Y, de la tat la fiu.

10

Fig. 16. Caracter holandric

Reglarea raportului dintre sexe. Raportul dintre sexe se poate regla prin metode de diagnostic timpuriu al sexelor.Viermii de mtas de sex masculin consum mai puin hran i dau cu 25% mai mult mtas. Strunikov a descoperit o gen autozomal mutant B, care determin producerea unor ou de culoare neagr. Alela respectiv a fost transferat prin translocaie n heterocromozomul W, prin urmare a devenit posibil identificarea sexului la viermii de mtas la fazele timpurii ale ontogenezei, ntruct alela B se transmite mpreun cu cromozomul W exclusiv pe linie matern. Sexul poate fi dirijat i la mamifere. Cromozomii sexului X, Y i respectiv spermatozoizii ce posed unul din aceti cromozomi ai sexului, au sarcini electrice diferite. A fost elaborat o tehnic special de separare a spermatozoizilor X de spermatozoizii Y.Problem. n unele cazuri avicultorii pot determina sexul puilor ieii din ou dup culoarea penajului. Gena culorii penajului este situat n cromozomul Z. Penajul auriu (brun) este determinat de alela dominant (A), iar penajul argintiu (alb) de alela recesiv (a). Selectai formele parentale astfel, nct s fie posibil identificarea sexului la puii ieii din ou, dup culoarea penajului.

11