8. GENETIKA SPOLA

http://www.csc-scc.gc.ca/text/prgrm/fsw/gender2/gender.gif

Spol može biti određen stupnjem ploidije (npr. u opnokrilaca poput pčela, mrava i osa) tako da su mužjaci haploidni, a ženke diploidne

U nekih vrsta spol određuje par alela: npr. u komarca je Mm mužjak, a ženka je mm

Okolišni faktori mogu također utjecati na razvitak spola: npr. u macaklina je spol određen temperaturom tako da se kod 25 °C razvijaju ženke, a kod 32 °C ½ potomaka su mužjaci, a ½ su ženkeDiferencijacija spola genetički je određena

Najčešće mužjak i ženka imaju različite kromosomske komplemente, što znači da determinacija spola ovisi o nasljeđivanju spolnih kromosoma(Slika 8.1.a-c)

Spolni kromosomi su kromosomi sa spolno-determinirajućim genima

Ostali kromosomi kromosomskog komplementa su autosomi

Slika 8.1.a. a) Spolni kromosomi (lijevo-X; desno-Y); b) kariogram muškarca –različiti spolni kromosomi

a

b

Slika preuzeta sa: http://www.bio.miami.edu/~cmallery/150/mendel/c7.p282.xy.jpg

a

Kromosom X je veličine 5-5,5 μm, submetacentričan i pripada skupini C humanog kariotipa

Kromosom Y je veličine 2 μm, pripada skupini G

Slika 8.1.b. Kariogram ženskog spola; dva identična spolna kromosoma

Slika preuzeta sa: http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/publicat/genechoice/images/4karyfemale_sm.gif

Slika preuzeta sa: http://wotan.cse.sc.edu/perobase/images/karyo.gif

Ženka; XX Mužjak; XY

Slika 8.1.c. Spolni kromosomi ženke i mužjaka vinske mušice(preuzeto sa: http://www.nature.com/scitable/topicpage/Developing-the-Chromosome-Theory-164)

Spolni kromosomi razlikuju se po strukturi i genetičkoj organizaciji od autosoma

Nasljeđivanje spolno-vezanih gena je povezano s modificiranim modelom nasljeđivanja spolnih kromosoma

Za otkriće spolno-vezanih gena i njihovog nasljeđivanja zaslužni su Thomas Hunt Morgan (Slika 8.2.) i njegova grupa na ColumbiaUniversity; 1910. g. otkriće bijelih očiju u vinske mušice bilo je ključ razvoja KROMOSOMSKE TEORIJE NASLJEĐIVANJA

Morgan i suradnici su na temelju dobivenih rezultata zaključili da X kromosom nosi i gene koji ne sudjeluju u determinaciji spola

Slika 8.2. Thomas Hunt Morgan (preuzeto sa:

http://pr.caltech.edu/events/caltech_nobel/nobel_people/morgan.gif)

8.1. MEHANIZMI DETERMINACIJE SPOLA

DETERMINACIJA SPOLA NA TEMELJU SPOLNIH KROMOSOMA

XO/XX SISTEM

Citološka istraživanja kukaca roda Orthoptera (skakavci) pokazala su da jedan član kromosomskog komplementa u mužjaka nema para; taj su kromosom nazvali X kromosom Mužjaci su XO; stvaraju dvije vrste gameta s obzirom na spolne kromosome – HETEROGAMETNI SPOLŽenke su XX; stvaraju jednu vrstu gameta – homogametni spolNasljeđivanje spolnih kromosoma slijedi jednostavan model nasljeđivanja pri čemu je ½ potomaka ženskog, a ½ potomaka muškog spola

Skakavci:

Ženka: XX; gamete su X –homogametni spol

Mužjak: XO; gamete: ½ X, ½ O – heterogametni spol

Slika preuzeta sa: http://www.zbi.ee/satikad/images/051-100/097.jpg

XX/XY sistem

U sisavaca i nekih vrsta kukaca (vinska mušica) postoje dvije vrste spolnih kromosoma: X i Y

Ženke su XX – HOMOGAMETNI SPOL: sve jajne stanice nose X kromosom

Mužjaci su XY – HETEROGAMETNI SPOL; spermatogenezomnastaju dvije vrste spermija: X (50%) i Y (50%)

Kojeg će spola biti potomak ovisi o tomu koji će spermij (X ili Y) oploditi jajnu stanicu (X); za svaki spol vjerojatnost je 50%

U biljaka s jednospolnim cvjetovima mehanizmi determinacije spola su različiti: neke vrste imaju jedan gen, a neke dva ili više za determinaciju spola, a neke vrste imaju spolne kromosome X i Y

U većine biljnih vrsta spolni se kromosomi ne mogu razlikovati od autosoma; među tim vrstama muške su biljke heterogametne, no u jagode su ženske biljke heterogametne

U samo 13 vrsta moguće je razlikovati X i Y kromosom, a poznata su dva mehanizma determinacije spola: jedan je sličan onomu u sisavaca (Silene latifolia), a drugi je sličan onomu u vinske mušice (Rumexacetosa; Lychnis dioica)

Slika preuzeta sa:

http://www.ct-botanical-society.org/galleries/silenelati.html

Slika preuzeta sa: http://www.fr.ch/mhn/collections/f-rumexa.htm

ZW/ZZ

U ptica, riba, leptira spol je determiniran spolnim kromosomima Z i W

Mužjaci su homogametni spol ZZ

Ženke su heterogametni spol ZW; stvaraju dvije vrste gameta

Slike preuzete sa: http://anthro.palomar.edu/animal/images/birds.jpg

DETERMINACIJA SPOLA NA TEMELJU STUPNJA PLOIDIJE

U opnokrilaca (pčele, mravi, ose) spol je određen stupnjem ploidije(Slika 8.3.)Ženke u pčela (matica i radilice) su diploidne (2n=32)Matica može odlagati neoplođena jaja (n) i oplođena jaja (2n) zahvaljujući kontroli mišića sfinktera na receptakulumu za spermuIz oplođenih jaja razvijaju se ženke, a o načinu njihove prehrane ovisi da li će biti matice ili radiliceIz neoplođenih jaja se razvijaju mužjaci, trutovi

Slika preuzeta sa: http://www.entom.slu.se/imaes/bee.jpg

Slika 8.3. Životni ciklus pčele

DETERMINACIJA SPOLA NA TEMELJU GENSKE RAVNOTEŽE

U nekih vrsta je spol određen genskom ravnotežom, jer je veliki dio gena uključenih u spolnu diferencijaciju smješteno na autosomimaU vinske mušice spol je determiniran omjerom broja X kromosoma i broja setova autosoma (X/A) (Slika 8.4.)Y kromosom odgovoran je samo za pokretljivost i funkcionalnost spermijaTeorija genetičara Calvina Bridgesa 1922. – spol u vinske mušice određen je omjerom alela na X kromosomu koji favoriziraju razvitak ženskog spola i autosomalnih alela koji favoriziraju razvitak muškog spolaIdeja potječe od otkrića ginandromorfa (spolni mozaik – jedan dio tijela pokazuje sekundarne spolne karakteristike ženke, a drugi dio tijela mužjaka) (Slika 8.5.)Ako se gubitak X kromosoma dogodi za vrijeme prve diobe zigote nastat će bilateralni ginandromorf

Slika 8.5. Bilateralni ginandromorf nastaje zbog greške u prvoj mitozi zigote

Jajna stanica Spermij

Zigota

RAZVITAK

Slika 8.4. Mužjak (lijevo) i ženka (desno) vinske mušice

X/A = 1 ženka

X/A = 0,5 mužjak

X/A > 1 super ženka (slabi organizmi, često ugibaju u stadiju kukuljice)

X/A < 0,5 super mužjak (slabi organizmi)X/A = 0,5-1 interseks

Na razvitak spola osim genske ravnoteže mogu utjecati i faktori iz okoliša: primjerice temperatura

Tako se interseks kod povišene temperature može razviti u ženku, a kod niže temperature u mužjaka

Neki aleli autosoma mogu utjecati na razvitak spola bez obzira na X/A omjer: recesivni alel dsx (doublesex) može pretvarati mužjake i ženke u interseks

dsxdsx, XX ili dsxdsx, XY = interseks

Recesivni alel tra može pretvarati ženke u fenotipske mužjake koji su sterilni:

tratra, XX = fenotipski mužjak

Teorija genske ravnoteže može biti narušena zbog okolišnih faktora ili specifičnih genskih lokusa

Molekularna osnova genske ravnoteže

Otkriven je gen okidač razvitka spola, Sxl na X kromosomu vinske mušiceSxl (sex lethal) – mutacije ovoga gena uzrokuju smrt ženskih embrijaKada je Sxl aktivan on usmjerava razvitak ženskog spola, a kada je inaktivan usmjerava razvitak muškog spolaAktivnost Sxl gena reguliraju drugi geni na X kromosomu i geni na autosomimaGeni na X kromosomu (numerator geni) aktiviraju Sxl genGeni na autosomima inaktiviraju Sxl – razvitak muškog spolaSxl gen se aktivira ukoliko su prisutna barem dva X kromosoma, odnosno ako je razina genskih produkata numerator gena visoka; ako je razina produkata numerator gena niska (jedan X kromosom), Sxl se ne aktivira što uzrokuje razvitak muškog spola

SPOLNO-VEZANI GENI

Spolni kromosomi nose gene koji nisu direktno uključeni u determinaciju spola, ali njihovo nasljeđivanje ovisi o nasljeđivanju spolnih kromosoma dakle vezano je uz spol

Geni na kromosomu X su spolno-vezani ili X-vezani geni

Na Y kromosomu vrlo je malo aktivnih gena – HOLANDRIČNI GENI

Kromosomi X i Y su djelomično homologni: kraći krak Y kromosoma u kojem se nalazi pseudoautosomalna regija pari se s istom takvom regijom kromosoma X (geni MIC2, ZFY itd.)

8.2. SPOLNO-VEZANO NASLJEĐIVANJE

1910. otkriće spolno-vezanog svojstva (Slika 8.6.a. i b.) u vinske mušice (Morgan) – ključ razvoja KROMOSOMSKE TEORIJE NASLJEĐIVANJA

Slika 8.6.a. Boja oka vinske mušice: lijevo –crveno – divlji tip; desno – bijelo

(preuzeto sa:mutantahttp://www.mun.ca/biology/scarr/Drosophila_eyes.gif)

Slika preuzeta sa: http://www.dmacc.cc.ia.us/instructors/Image36.gif

Slika 8.6.b. Nasljeđivanje boje oka vinske mušice (preuzeto sa: http://www.agen.ufl.edu/~chyn/age2062/lect/lect_10/lect_10.htm)

Crvene oči Bijele oči

Xw+Xw+ x XwY

Crvene oči

Xw+Xw; Xw+Y

Crvene oči ¾

Bijele oči ¼(samo mužjaci)

Ženka za spolno-vezani gen može biti homozigotna ili heterozigotnaMužjaci su HEMIZIGOTI, jer samo na kromosomu X nose gen za spolno-vezano svojstvo (samo jedan alel)Nasljeđivanje spolno-vezanog svojstva je tzv. KRIŽNO NASLJEĐIVANJE; ženski potomci nasljeđuju spolno-vezano svojstvo od oca, jer od oca nasljeđuju jedan kromosom X s odgovarajućim alelom za spolno-vezano svojstvo

8.3. NASLJEĐIVANJE SPOLNO-VEZANIH BOLESTI

Sljepoća za boje ili daltonizam – prvo otkrivenospolno-vezano recesivno svojstvo (John Dalton – engleski kemičar)U čovjeka su tri različita gena odgovorna za razlikovanje boja u čovjeka; od toga su dva na X kromosomuSvaki gen daje informaciju za fotopigment koji se nalazi u čunjastim stanicama mrežnice osjetljivima na svjetlost; svaki fotopigment je osjetljiv na jedan dio vidljivog dijela spektra, a svaki tip stanice sadrži samo jedan tip fotopigmenta (postoje tri tipa)Fotopigment se sastoji od retinalnog dijela (vitamin A) i opsina(proteinski dio) koji kontroliraju geni na X kromosomuNajčešći oblik poremećaja je crveno-zelena sljepoća za boje, jer nedostaje protein (opsin) osjetljiv na crveni ili zeleni dio spektra (Slika 8.7.) Crvena sljepoća - DEUTERANOPIA (3/4); nedostaje opsin za srednju valnu duljinu - dikromatizamZelena sljepoća – PROTANOPIA (oko 2% muške populacije); nema opsina za dulju valnu duljinu (crveno) (Slika 8.8.a-c) - dikromatizam

Slika preuzeta sa: http://www.lakesideschool.org/people/homepages/fishers/dalton.jpg

Dalton – deuteranopia (nema opsina za srednju valnu duljinu – zeleno)Dalton je imao želju da nakon njegove smrti njegove očne jabučice budu pohranjene i analizirane1994. napravljena analiza DNA čunjastih stanica mrežnice – ustanovljeno da nedostaje opsin za zeleno8% muške populacije Europe su daltonisti4% muške populacije u Africi su daltonisti0,4% žena su daltonistice

Slika 8.7. Spektar bojaSlika preuzeta sa: http://covion.com/img/spectra.gif

Slika preuzeta sa: http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/spectra.gif

Slika preuzeta sa: http://www.covion.com/img/spectra.gif

DEUTERANOPIA &

PROTANOPIA

Normalno razlikovanje boja

Deuteranopia

Protanopia

Slika 8.8.a. Test za detekciju daltonizma (gore); kako vide daltonisti (desno)

Slika preuzeta sa: http://povlab.org/denis.olivier/img/dalt

Slike preuzete sa: http://photoshop.nasmnogo.ru/img/daltonism.jpg

Slika 8.8.b.Testovi za daltonizamSlike preuzete sa: http://www.mic-d.com/curriculum/lightancolor/images/humanvisionfigure6.jpg

Deuteranopia Protanopia Tritanopia

Normalno razlikovanje boja

Slika 8.8.c. Kako vide daltonisti

Gore: normalno razlikovanje boja – osoba razlikuje Braeburn i GrannySmith jabuke

Dolje dikromatizam (deuteranopia ili protanopia)

Slika preuzeta sa: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Braeburn_GrannySmith_dichromat_sim.jpg

Svaki od dva X-vezana gena zastupljen je sa 3 alela na razini populacije (normalni pigment > defektni pigment > bez pigmenta)Analizom DNA utvrđeno je da su geni za deuteranopiju i protanopijugotovo identični, te da kodiraju za pigmente koji su 99% identični

Ta su dva gena vrlo blizu i smatra se da su nastali duplikacijom jednog gena pretka tijekom evolucije sisavaca

Treći gen za plavi pigment nalazi se na dužem kraku kromosoma 7 (tritanopia – oblik sljepoće za boje)

DUSCHENNE MIŠIĆNA DISTROFIJA

Spolno-vezana recesivna bolest (u Americi obolijeva 1/3500 muške djece)

Bolest karakterizira progresivno slabljenje mišića i gubitak koordinacije zbog nedostatka mišićnog proteina DISTROFINA) (Slika 8.9.a. i b.)

Oboljele osobe rijetko dožive preko 20 godina starosti

Slika 8.9.a. Protein distrofin nalazi se u membrani mišićnog vlakna (preuzeto sa: http://www.mda.org/publications/fa-dmdbmd-what.html)

Majka nositeljica

Bolesni sin

Zdravi otac

Slika 8.9.b. Nasljeđivanje mišićne distrofije (preuzeto sa: http://www.genetics.com.au/factsheet/fs10.html)

Slika preuzeta sa: http://english.pravda.ru/news/science/21-01-2008/103540-muscular_dystrophy-0

HEMOFILIJA

Spolno-vezana recesivna bolestNastaje zbog nedostatka proteina koji sudjeluju u zgrušavanju krvi: nedostatak antihemofilijskog faktora – hemofilija A; nedostatak tromboplastina – hemofilija BKod hemofilije A nedostaje proteinski kofaktor VIII koji je neophodan za punu aktivnost faktora IX u seriji reakcije aktivacije trombina, enzima koji katalizira pretvorbu topivog fibrinogena u netopljivi fibrin (85% hemofiličara) (Slika 8.10.)U 15% hemofiličara B tipa radi se o defektu gena za kofaktor IX koji aktivira faktor XHemofilija se prvi puta spominje u židovskom TalmuduVisoka učestalost hemofilije uočena je u kraljevskim porodicama Europe – “kraljevska bolest” (Slika 8.11.)U žena je hemofilija relativno rijetka bolestHeterozigotne žene (nositeljice) mogu imati neke kliničke simptome bolesti

HEMOFILIJA A

HEMOFILIJA B

Slika 8.10. Reakcija aktivacije trombina (preuzeto sa: http://www.genetics.com.au/factsheet/fs10.html)

Slika 8.11. Rodoslovlje nasljeđivanje hemofilije kraljevskih porodica Europe; započinje s kraljicom Viktorijom koja je bila nositeljica

Slika preuzeta sa: http://www.pbs.org/wgbh/masterpiece/mbrown/men/images/albert.jpg

NEDOSTATAK ENZIMA GLUKOZA-6-FOSFAT-DEHIDROGENAZE (6GPD)

Spolno-vezana recesivna bolest

Poremećaj u metabolizmu glukoze, održavanje reduciranog glutationa u stanici potrebno je za intaktnost stanične membrane

Nakon indukcije oksidacijskih procesa u stanici (uzimanjem neke hrane ili lijekova) smanjuje se količina reduciranog glutationa, dolazi do pucanja eritrocita – hemolitička anemija

Česta bolest u Američkih crnaca (10%), na području Mediterana (Grčka, južna Italija) i u područjima endemske malarije (Afrika, Indija, Južna Azija)

Uzročnik malarije Plasmodium falciparum ne može se razvijati u eritrocitima osoba s nedostatkom G6PD (Slika 8.12.)

Slika 8.12. Prijenosnik malarije; uzročnik malarije (gore); rasprostranjenost malarije (gore desno); razmnožavanje parazita u eritrocitima (desno)

Slika preuzeta sa: http://www.nidcd.nih.gov/news/releases/02/10_21_02.htm

Slika preuzeta sa: http://news.nationalgeographic.com/news/2001/05/images/0625_malaria.jpg

Spolno-vezana recesivna svojstva u čovjeka

Dva oblika dijabetesa

Oblik katarakte

Noćna sljepoćaJuvenilni glaukom

Sijedi pramen kose

Dominantno spolno-vezano svojstvo

Defektna zubna caklina

8.4. NEPOTPUNA SPOLNA VEZANOST

X i Y su djelomično homologni kromosomi

Lokus bobbed (za dužinu čekinja) u vinske mušice pokazuje nepotpunu spolnu vezanost, jer se nalazi na oba spolna kromosoma u regiji koju nazivamo pseudoautosomalnom

Nalazi se na X kromosomu u blizini centromera (X je akrocentričan)

Na Y kromosomu postoji homologni lokus, pa mužjaci i ženke imaju po dva alela za ovo spolno-vezano svojstvo (Slika 8.13.)

Slika 8.13. Nasljeđivanje dužine čekinja vinske mušice - nepotpuna spolna-vezanost

Mutanta

bb bb

Divlji tip

+ bb

Mutanta Divlji tip

Y-VEZANI GENI

Vrlo malo aktivnih gena

Sry gen – gen okidač razvoja testisa

Gen za kožu poput dikobrazove

Gen za čupavost ušiju

Gen za visinu

Gen za brzinu sazrijevanja

Slika preuzeta sa: http://news.bbc.co.uk/media/images/38329000/jpg/_38329947_victor_ear300.jpg

NASLJEĐIVANJE SPOLNO-VEZANIH GENA U PTICA

U ptica je ženski spol heterogametan, a muški je homogametan

8.5. SAŽETAK

Spol neke jedinke genetički je uvjetovan

Najčešće kromosomske garniture mužjaka i ženke imaju različite spolne kromosome: X i Y (Z i W)

Spolni kromosomi su kromosomi koji nose spolno-determinirajućegene

Ženski spol je u većine organizama homogametan spol

Muški spol je u većine organizama heterogametan spol

Spolni kromosomi nose i druge gene koji nisu izravno odgovorni za determinaciju spola, a te gene nazivamo spolno-vezani geni

Nasljeđivanje spolno-vezanih osobina ili X-vezano nasljeđivanje nazivamo i križnim nasljeđivanjem