У птиц, в отличие от млекопитающих, гетерогаметным полом является самка с хромосомной конституцией ZW.

У самцов половые хромосомы представлены гомогаметной парой ZZ.


 Окончательный механизм детерминации пола у птиц до сих пор не выяснен, хотя в последнее время получены убедительные экспериментальные данные, в значительной степени проясняющие данную ситуацию

Первый, наиболее простой механизм детерминации пола, аналогичный тому, что действует у млекопитающих, это предположение о наличии на W хромосоме фактора, детерминирующего самку. W хромосома схожа на Y хромосому млекопитающих; маленького размера, содержит мало активных генов и много повторяющейся ДНК. Считают, что половые хромосомы птиц произошли от аутосомной пары, а W — это деградированная Z хромосома

Неравномерное распределение хромосом у разных полов приводит к разности в дозе генов, которые могут привести к дефектам развития. Зарегистрированы различные отклонения у человека, вызванные анеуплоидией по разным хромосомам: синдром Дауна — трисомия по 21 хромосоме, синдром Эдварда - трисомия по 18 хромосоме, синдром Кляйнфельтера— 47, ХХY и синдром Тернера— 45, Х. Так как на ранних стадиях развития зародыш млекопитающих очень чувствителен к хромосомным отклонениям, только небольшая часть эмбрионов с хромосомными отклонениями доживают до рождения . Известно, что независимо от количества Х хромосом присутствие Y хромосомы у млекопитающих запускает самцовый тип развития: XXY— ососби являются самцами, а ХО самками. К сожалению, у птиц не зарегистрированы анеуплоидные формы по половым хромосомам, и их считают генетическими леталями .

В то же время птицы значительно менее чувствительны к отклонениям количества хромосом; зарегистрированы много фактов живых триплоидов или триплоид-диплоид мозаиков . Считают, что в коммерческих стадах 1 из 2000 несушек является интерсексом, проявляя промежуточные свойства самца и самки. Большинство из этих интерсексов являются, или триплоидами ААА/ZZW, или триплоид-диплоид мозаиками. Описаны живые особи триплоидов ZZZ и ZZW, к сожалению, они всегда не фертильны. Мозаики (AAA/ZZZ, AA/ZZ) характеризуются отставанием в эмбриональном развитии, пониженной митотической активностью . Анализ триплоидов (ZZW) показал, что они являются интерсексами . Будучи по фенотипу самками при рождении, они имеют правый семенник, левый овотестис, а к возрасту полового созревания женская составляющая овотестиса дегенерирует и птицы становятся самцами. Можно предположить о присутствии на W хромосоме детерминанты самки, который находится под доза зависимым влиянием Z хромосомы и данная детерминанта не носит доминантный характер .

Анализ химер птиц типа ZZZW показал, что первичные половые клетки ZZ способны пройти мейоз в тканях ZW яичника и формировать функциональные ооциты в отсутствие W хромосомы . Таким образом, можно заключить, что присутствие W хромосомы не является обязательным условием для прохождения мейоза и что гены оогенеза, скорей всего, расположены на Z хромосоме или аутосомах.

Разные виды животных разработали различные реакции на дозу хромосом. Млекопитающие контролируют дозу генов половой хромосомы через инактивацию одной Х хромосомы в каждой клетке самки, в комбинации с усилением экспрессии генов в оставшейся Х хромосоме обеих полов. Вопрос, касающийся компенсации дозы генов и половой детерминации у птиц усложняется тем обстоятельством, что у бескилевых птиц практически нет кариотипических различий по Z и W хромосомам [15]. А такие таксономоческие группы птиц, как Соколообразные (Falconiformes), Журавлеобразные (Gruiformes) и Дятлеобразные (Piciformes) имеют сильно увеличенные половые хромосомы (как Z, так и W), делая Z самой крупной хромосомой кариотипа  Связано ли это с увеличением количества генов или их плотности еще не выяснено.

На эухроматиновом плече W хромосомы птиц были открыты два гена, которые могли бы выступить в роли половых детерминантов. Первый из них — это ген ASW . ASW экспрессируется только в эмбрионах женского пола, в основном, в гонадах, в то время как его единственный гомолог на Z хромосоме — ZPKCI — экспрессируется в значительно меньшей степени у обеих полов . Однако, несмотря на многократные повторы гена ASW на W хромосоме, половое развитие триплоидов ZZW показывает, что действие этого гена недостаточно для индукции перманентного развития таких особей по пути формирования самки. Против предположения об определяющей роли гена ASW в детерминации яичника птиц свидетельствует и то обстоятельство, что активность этого гена зафиксирована кроме гонад и в некоторых других тканях . ASW также оказался неспособным индуцировать развитие самки при чрезмерной экспрессии в эмбрионах самцов . Кроме того этот ген не найден у бескилевых птиц. У бескилевых птиц гомоморфные половые хромосомы, но, так же, как и у других представителей класса, генотипическая детерминация пола и, скорей всего, у них общий с другими птицами генетический триггер.

Второй ген — FET1− расположен на эухроматиновом участке короткого плеча W хромосомы, не связан с ASW геном и не имеет гомолога на Z хромосоме. Он экспрессируется исключительно в мочеполовой системе самки в период, предшествующий половой дифференциации (4,5−6,5 сутки; 25−30 стадии развития). Уровень экспрессии FET1 в левой гонаде значительно выше, чем в правой. Этот ген не проявляет гомологии с каким-либо из известных генов и кодирует протеин из 434 остатков с предполагаемой сигнальной последовательностью и трансмембранным доменом. У млекопитающих нет ортологов генов ASW и FET1 .

Даже если эти гены окажутся детерминантами яичников у птиц, еще остаются отсутствующие звенья в пути активации ароматазы (см. ниже). ASW/WPKCI и FET1 экспрессируются достаточно раньше активности ароматазы, что делает невозможным непосредственную активацию этого гена без привлечения других факторов

Вторая гипотеза предполагает детерминацию мужского пола птиц двойной дозой генов, сцепленных с Z хромосомой. Необходимым условием для этого является то, что данный ген не должен подвергаться компенсаторному механизму, согласно которому, гены на одной из Z хромосом в комбинации ZZ инактивируются. Хотя активность многих генов на Z хромосоме у самок и самцов выровнены , есть данные, что некоторые мРНК транскрибируются с генов обеих Z хромосом в клетках самцов . Поэтому, если у птиц и происходит компенсация дозы генов в ходе раннего развития, то этому механизму подвержена не вся хромосома, в отличие от млекопитающих. Одним из генов, избегающих компенсации дозы, является ген DMRT1. Этот ген наиболее подходящий кандидат на роль детерминанта мужского пола у птиц. Он находится на Z хромосоме, но не имеет гомолога на W хромосоме. DMRT1 экспрессируется в гонадах птиц до и в ходе их дифференциации, будучи более активным в семенниках, чем в яичниках . DMRT1 протеин изначально находится в ядрах клеток медуллярных канальцев, где начинается управление процессом формирования семенников. Более того, в клетках генетических самок, у которых произошла реверсия пола под влиянием ингибитора ароматазы, активность DMRT1 возрастает, несмотря на присутствие в одной копии . DMRT1 -пример консервативности полоопределяющих генов у различных типов животных, так как его аналоги задействованы в половой дифференциации как млекопитающих, так и насекомых .

Согласно данным Smith C.A. и др., которые подтверждают дозазависимую гипотезу половой детерминации у птиц, высокие дозы гена DMRT1 инициируют дифференциацию семенников у самцов, активируя экспрессию гена SOX9 и подавляя активность ароматазы . Ген DMRT1 полностью отвечает требованиям к половой детерминанте птиц. Этот ген, сцепленный с полом, находится на Z хромосоме у всех птиц, включая бескилевые [26]. Он экспрессируется исключительно в мочеполовой системе перед половой дифференциацией гонад эмбрионов птиц. У других позвоночных DMRT1 также задействован в развитии семенников. Нуль мутации по DMRT1 нарушает постнатальное развитие семенников у мышей, а делеции по этому гену у человека вызывают тестикулярный дисгенез. У рептилий, с температурной детерминацией пола, концентрация DMRT1 увеличивается в термочувствительный период, когда определяется пол, и только при самцовой температуре . У рыбы медака Oryzias latipes двойная копия DMRT1, dmy/dmrt1b является ведущим детерминантом семенников, а у амфибий копия DMRT1, сцепленная с W, dmw определяет развитие яичников . Таким образом, DMRT1 может оказаться доза чувствительным наследственным половым детерминантом как у птиц, так и у низших позвоночных, который заменяется геном SRY у млекопитающих.

Новая модель половой детерминации эмбрионов кур включает непосредственное взаимодействие фактора, производного W хромосомы, и Z хромосомы. Teranishi с коллегами обнаружили на коротком плече Z хромосомы гиперметилированный участок (МНМ), состоящий из более чем 200 копий тандемных повторов размером 2,2 kb . Этот участок гиперметилирован и транскрипционно неактивен на обеих Z хромосомах самцов и транскрибируется только на единственной Z хромосоме самок. МНМ участок не транслируется и высокомолекулярная некодирующая РНК обволакивает участок на Z хромосоме самок, прилегающий к DMRT1 локусу. Интересно, что в триплоидах ZZZ все три Z хромосомы гиперметилированы и неактивны, в то время как в триплоидах ZZW МНМ район гипометилирован и транскрибируется с обеих Z хромосом [30]. Эти данные свидетельствуют о вовлечении W хромосомы в статус метилирования МНМ участка Z хромосомы. Возможно, что в ZW эмбрионах W-производный фактор индуцирует гипометилирование МНМ участка и транскрибированная РНК обволакивает Z хромосому, подавляя транскрипцию близлежащих генов, включая DMRT1. У ZZ самцов в отсутствие W хромосомы МНМ участок остается гиперметилированным и неактивным, не производится РНК и не происходит подавления активности DMRT1 (рис.1).

clip_image002

Рис.1. Модель половой детерминации у птиц, включающий непосредственное взаимодействие Z и W хромосом. Гиперметилированный участок MHM на ZZ хромосомах у самцов транскрипционно неактивен. Соседние полоспецифические гены самца, такие как DMRT1свободны и транскрибируются. В ZW эмбрионах, протеин кодируемый W хромосомой (Фактор F) индуцирует деметилирование MHM участка, что приводит к активной транскрипции высокомолекулярной некодирующей РНК, которая накапливается на месте транскрипции. Транскрипция соседних генов, таких как DMTR1 снижается. (Модифицирован из Smith C. and Sinclair A. ).

Если предположить, что роль фактора F выполняет продукт гена FET1, то результатом подавления его активности должен быть эффект, наблюдаемый при подавлении активности ароматазы, т.е. реверсия пола в сторону самца. Нокдаун гена FET1 позволил бы прояснить данное предположение, как это было сделано с геном DMRT1 .

Смещение полового соотношения в результате нарушения сегрегации половых хромосом.

Задав вопрос о возможности управления детерминацией пола у птиц нельзя умолчать о таком явлении как первичное смещение полового соотношения за счет нарушения сегрегации половых хромосом во время мейоза, или, так называемый, мейотический драйв половой хромосомы.

Нарушители сегрегации — это аллели, которые нарушают нормальную сегрегацию хромосом по своему усмотрению. Нарушение сегрегации возникает в целом ряде таксономических групп организмов от грибов до растений и животных. Аллели — нарушители присутствуют в более чем 90% функциональных гамет. Однако эффективное смещение сегрегации может варьировать от 0,5 до почти 1

Когда нарушители сегрегации локализованы на половой хромосоме, они не только влияют на приспособленность особи, но также смещают половое соотношение в популяции . Нормальное половое соотношение может быть восстановлено или путем подавления нарушителя, или изменением механизма половой детерминации

Драйв половой хромосомы означает неравную передачу половых хромосом от особей с гетерогаметным полом, что приводит к смещенному половому соотношению у потомков и внутри популяций . В большинстве случаев нарушение сегрегации происходит в ходе сперматогенеза в результате нерасхождения Y хроматид в мейозе II, или повреждения Х хромосомы, приводящей к неспособности развития сперматид . У мухи Trichosia pubescens в сперматогенезе гетерогаметного самца наблюдается не случайное расхождение хромосом в мейозе, что приводит к формированию гамет одного типа, несущих только материнский набор хромосом. Формирование одного типа гамет в данной системе становится возможным благодаря присутствию монополярного и моноцентрического веретена в первом делении мейоза, что является результатом инактивации кинетохоров отцовских хромосом, которые неспособны захватывать микротрубочки веретена.

Мейотический драйв самки известен значительно меньше. У бабочки Eucheria socialis westwoodi гетерогаметными являются самки, которые могут продуцировать потомство со строго смещенным в сторону самцов половым соотношением , вероятно, за счет не случайного расхождения хромосом в мейозе самки. У некоторых млекопитающих гетерогаметные самки с Х и Y хромосомами демонстрируют мейотический драйв. Например, у древесных леммингов Myopus schisticolor гетерогаметные самки продуцируют только ооциты, несущие Х хромосомы [37], как возможный результат элиминации Y хромосомы на стадии первичных половых клеток или оогониев.

Другие механизмы мейотического драйва половых хромосом основаны на цитоплазматических элементах, ответственных за смещенное в сторону самок половое соотношение . Наконец, аутосомные нарушители сегрегации могут действовать через предотвращение конденсации гетерохроматина в ядрах сперматозоидов и формирования сперматид. У растений мейотический драйв часто вызывается производством нежизнеспособных гамет самцов .

Несмотря на то, что генетический механизм детерминации пола, характерный для птиц, не предполагает получение стабильного смещения полового соотношения, довольно широко распространено и регистрировано явление адаптивного изменения полового соотношения в связи с социальными и физиологическими условиями воспроизводства. Считают, что птицы должны обладать значительно более развитыми способностями в отношении смещения полового соотношения по сравнению с млекопитающими в связи с гетерогаметностью самки и в связи с тем, что полоопределяющее деление мейоза у птиц происходит перед овуляцией и оплодотворением. По мнению Rutkowska J. и Badyaev A. значительные различия между половыми хромосомами по размеру, форме, по размеру белковых тел, расположению мейотической пластинки, прикреплению хромосом к микротрубочкам и эпигенетические маркировки половых хромосом должны привести к смещению сегрегации половых хромосом в обычных условиях с вторичной эволюцией компенсаторных механизмов необходимых для поддержания несмещенного мейоза . Все эти обстоятельства делают детерминацию пола птиц особенно чувствительной к материнским влияниям. Данное предположение подтверждается наблюдениями по смещению полового соотношения в зависимости от расположения яйца в кладке и особенностями роста ооцита у птиц .

Среди позвоночных животных птицы обладают в высокой степени непосредственным контролем пола потомства благодаря гетерогаметности самки, а также периферическому расположению мейотической пластинки в ооците и времени первого деления мейоза непосредственно перед овуляцией.

Rutkowska J. и Badyaev A. выделяют ряд гипотез, которые могут объяснить механизмы нарушения сегрегации половых хромосом, приводящих к смещению полового соотношения у птиц [38]:

1. диморфизм размера половых хромосом способствует их неслучайной сегрегации;

2. нарушение сегрегации половых хромосом может происходить за счет диморфизма расположения центромеры;

3. теломеры, удлиненные в ходе созревания ооцита, влияют на движение хромосом на некоторых стадиях мейоза, включая их расположение в яйце перед сегрегацией;

4. эпигенетическая маркировка хромосом делает возможным идентификацию определенной половой хромосомы и может повлиять на ее движение в ходе сегрегации;

5. слияние протеинов сцепления может повлиять на расположение хромосомы в зародышевом пузырьке перед разрывом его мембраны;

6. перемещение хромосом в сторону экваториальной части веретена во время мейоза направляется филаментами актина, которые испытывают сильное влияние материнских гормонов;

7. размер центромеры влияет на прикрепление микротрубочек к кинетохору и таким образом ответсвенен за неслучайную сегрегацию хромосом;

8. центромеры и протеины сцепления изменяют функцию кинетохора, влияют на прикрепление микротрубочек и способствуют смещенному половому соотношению;

9. изменение направления сегрегации хромосом в ооцит или в полярное тельце, что может быть результатом поворота мейотического веретена, процесс, который может находиться под влиянием материнских гормонов.

Таким образом, беглое рассмотрение явления неслучайной сегрегации половых хромосом относительно птицы позволяет делать следующие выводы:

1. диморфизм размеров и формы половых хромосом, характер созревания женских половых клеток предрасполагает самок птиц к мейотическому драйву по половой хромосоме;

2. нарушение сегрегации половых хромосом может быть следствием как эпигенетических эффектов, связанных с физиологическим состоянием птицы, так и результатом присутствия алелей — нарушителей нормального хода мейоза;

3. наличие генетически закрепленных факторов, приводящих к смещению полового соотношения, является предпосылкой для проведения специальных исследований по селекции на смещенное половое соотношение в различных популяциях птиц.


Путеводитель по сайту