Os cromossomos são os principais elementos estruturais do núcleo celular, portadores de genes nos quais a informação hereditária é codificada. Tendo a capacidade de se reproduzir, os cromossomos fornecem uma ligação genética entre gerações.
A morfologia dos cromossomos está relacionada ao grau de sua espiralização. Por exemplo, se no estágio de interfase (ver Mitose, Meiose) os cromossomos estão desdobrados ao máximo, ou seja, despiralizados, então, com o início da divisão, os cromossomos espiralizam e encurtam intensamente. A espiralização e o encurtamento máximos dos cromossomos são alcançados no estágio de metáfase, quando se formam estruturas relativamente curtas e densas que são intensamente coradas com corantes básicos. Esta etapa é mais conveniente para estudar as características morfológicas dos cromossomos.
O cromossomo metáfase consiste em duas subunidades longitudinais - cromátides [revela fios elementares na estrutura dos cromossomos (os chamados cromonemas, ou cromofibrilas) com 200 Å de espessura, cada um dos quais consiste em duas subunidades].
Os tamanhos dos cromossomos de plantas e animais variam significativamente: de frações de mícron a dezenas de mícrons. Os comprimentos médios dos cromossomos metafásicos humanos variam de 1,5 a 10 mícrons.
A base química da estrutura dos cromossomos são as nucleoproteínas - complexos (ver) com as proteínas principais - histonas e protaminas.
Arroz. 1. A estrutura de um cromossomo normal.
A - aparência; B - estrutura interna: 1-constrição primária; 2 – constrição secundária; 3 - satélite; 4 - centrômero.
Os cromossomos individuais (Fig. 1) são diferenciados pela localização da constrição primária, ou seja, pela localização do centrômero (durante a mitose e a meiose, os fios do fuso são fixados neste local, puxando-o em direção ao pólo). Quando um centrômero é perdido, os fragmentos cromossômicos perdem a capacidade de se separar durante a divisão. A constrição primária divide os cromossomos em 2 braços. Dependendo da localização da constrição primária, os cromossomos são divididos em metacêntricos (ambos os braços são iguais ou quase iguais em comprimento), submetacêntricos (braços de comprimento desigual) e acrocêntricos (o centrômero é deslocado para o final do cromossomo). Além da primária, constrições secundárias menos pronunciadas podem ser encontradas nos cromossomos. A pequena porção terminal dos cromossomos, separada por uma constrição secundária, é chamada de satélite.
Cada tipo de organismo é caracterizado por seu próprio conjunto específico de cromossomos (em termos de número, tamanho e forma dos cromossomos). A totalidade de um conjunto duplo ou diplóide de cromossomos é designada como cariótipo.
Arroz. 2. Conjunto normal de cromossomos de uma mulher (dois cromossomos X no canto inferior direito).
Arroz. 3. O conjunto normal de cromossomos de um homem (no canto inferior direito - cromossomos X e Y em sequência).
Os ovos maduros contêm um único conjunto de cromossomos (n), ou haplóide, que constitui metade do conjunto diplóide (2n) inerente aos cromossomos de todas as outras células do corpo. No conjunto diplóide, cada cromossomo é representado por um par de homólogos, sendo um de origem materna e outro de origem paterna. Na maioria dos casos, os cromossomos de cada par são idênticos em tamanho, forma e composição genética. A exceção são os cromossomos sexuais, cuja presença determina o desenvolvimento do corpo na direção masculina ou feminina. O conjunto normal de cromossomos humanos consiste em 22 pares de autossomos e um par de cromossomos sexuais. Em humanos e outros mamíferos, a fêmea é determinada pela presença de dois cromossomos X, e o macho, por um cromossomo X e um cromossomo Y (Fig. 2 e 3). Nas células femininas, um dos cromossomos X é geneticamente inativo e é encontrado no núcleo interfásico na forma (ver). O estudo dos cromossomos humanos na saúde e na doença é objeto da citogenética médica. Foi estabelecido que desvios no número ou estrutura dos cromossomos da norma ocorrem nos órgãos reprodutivos! células ou nos estágios iniciais de fragmentação de um óvulo fertilizado, causam distúrbios no desenvolvimento normal do corpo, causando em alguns casos a ocorrência de alguns abortos espontâneos, natimortos, deformidades congênitas e anomalias de desenvolvimento após o nascimento (doenças cromossômicas). Exemplos de doenças cromossômicas incluem doença de Down (um cromossomo G extra), síndrome de Klinefelter (um cromossomo X extra em homens) e (ausência de um Y ou de um dos cromossomos X no cariótipo). EM prática médica a análise cromossômica é realizada diretamente (nas células da medula óssea) ou após cultivo de curto prazo de células fora do corpo (sangue periférico, pele, tecido embrionário).
Os cromossomos (do grego croma - cor e soma - corpo) são elementos estruturais filiformes e auto-reproduzíveis do núcleo da célula, contendo fatores de hereditariedade - genes - em ordem linear. Os cromossomos são claramente visíveis no núcleo durante a divisão das células somáticas (mitose) e durante a divisão (maturação) das células germinativas - meiose (Fig. 1). Em ambos os casos, os cromossomos são intensamente corados com corantes básicos e também são visíveis em preparações citológicas não coradas em contraste de fase. No núcleo interfásico, os cromossomos são despiralizados e não são visíveis ao microscópio óptico, pois suas dimensões transversais ultrapassam os limites de resolução do microscópio óptico. Neste momento, seções individuais de cromossomos na forma de fios finos com um diâmetro de 100-500 Å podem ser distinguidas usando um microscópio eletrônico. Seções individuais não despiralizadas de cromossomos no núcleo interfásico são visíveis através de um microscópio óptico como áreas intensamente coradas (heteropicnóticas) (cromocentros).
Os cromossomos existem continuamente no núcleo da célula, passando por um ciclo de espiralização reversível: mitose-interfase-mitose. Os padrões básicos da estrutura e comportamento dos cromossomos na mitose, meiose e fertilização são os mesmos em todos os organismos.
Teoria cromossômica da hereditariedade. Os cromossomos foram descritos pela primeira vez por I. D. Chistyakov em 1874 e E. Strasburger em 1879. Em 1901, E. V. Wilson, e em 1902, W. S. Sutton, chamaram a atenção para o paralelismo no comportamento dos cromossomos e dos fatores mendelianos de hereditariedade - genes - na meiose e durante fertilização e chegou à conclusão de que os genes estão localizados nos cromossomos. Em 1915-1920 Morgan (T.N. Morgan) e seus colaboradores provaram esta posição, localizaram várias centenas de genes nos cromossomos de Drosophila e criaram mapas genéticos dos cromossomos. Os dados cromossômicos obtidos no primeiro quartel do século XX formaram a base da teoria cromossômica da hereditariedade, segundo a qual a continuidade das características das células e dos organismos em várias de suas gerações é garantida pela continuidade de seus cromossomos.
Composição química e autorreprodução de cromossomos. Como resultado de estudos citoquímicos e bioquímicos de cromossomos nas décadas de 30 e 50 do século XX, foi estabelecido que eles consistem em componentes constantes [DNA (ver Ácidos nucleicos), proteínas básicas (histonas ou protaminas), proteínas não histonas] e componentes variáveis (RNA e proteínas ácidas associadas a ele). A base dos cromossomos é constituída por fios de desoxirribonucleoproteínas com diâmetro de cerca de 200 Å (Fig. 2), que podem ser conectados em feixes com diâmetro de 500 Å.
A descoberta por Watson e Crick (J. D. Watson, F. N. Crick) em 1953 da estrutura da molécula de DNA, o mecanismo de sua autorreprodução (reduplicação) e o código nucleico do DNA e o desenvolvimento da genética molecular que surgiu depois disso levaram ao ideia de genes como seções da molécula de DNA. (veja Genética). Os padrões de autorreprodução de cromossomos foram revelados [Taylor (J. N. Taylor) et al., 1957], que se revelaram semelhantes aos padrões de autorreprodução de moléculas de DNA (reduplicação semiconservadora).
Conjunto de cromossomos- a totalidade de todos os cromossomos de uma célula. Cada espécie biológica possui um conjunto característico e constante de cromossomos, fixados na evolução desta espécie. Existem dois tipos principais de conjuntos de cromossomos: simples ou haplóides (em células germinativas animais), denotados n, e duplos ou diplóides (em células somáticas, contendo pares de cromossomos homólogos semelhantes da mãe e do pai), denotados 2n .
Os conjuntos de cromossomos de espécies biológicas individuais variam significativamente no número de cromossomos: de 2 (lombriga de cavalo) a centenas e milhares (algumas plantas com esporos e protozoários). Os números diplóides de cromossomos de alguns organismos são os seguintes: humanos - 46, gorilas - 48, gatos - 60, ratos - 42, moscas da fruta - 8.
Tamanhos dos cromossomos tipos diferentes também são diferentes. O comprimento dos cromossomos (em metáfase da mitose) varia de 0,2 mícron em algumas espécies a 50 mícron em outras, e o diâmetro de 0,2 a 3 mícron.
A morfologia dos cromossomos é bem expressa na metáfase da mitose. São os cromossomos metafásicos que são usados para identificar os cromossomos. Nesses cromossomos, ambas as cromátides são claramente visíveis, nas quais cada cromossomo e o centrômero (cinetócoro, constrição primária) que conecta as cromátides são divididos longitudinalmente (Fig. 3). O centrômero é visível como uma área estreitada que não contém cromatina (ver); a ele estão ligados os fios do fuso da acromatina, por meio dos quais o centrômero determina o movimento dos cromossomos para os pólos na mitose e na meiose (Fig. 4).
A perda de um centrômero, por exemplo, quando um cromossomo é quebrado por radiação ionizante ou outros agentes mutagênicos, leva à perda da capacidade do pedaço de cromossomo sem o centrômero (fragmento acêntrico) de participar da mitose e da meiose e à sua perda do centrômero. núcleo. Isso pode causar danos celulares graves.
O centrômero divide o corpo do cromossomo em dois braços. A localização do centrômero é estritamente constante para cada cromossomo e determina três tipos de cromossomos: 1) cromossomos acrocêntricos, ou em forma de bastonete, com um braço longo e um segundo braço muito curto, semelhante a uma cabeça; 2) cromossomos submetacêntricos com braços longos de comprimento desigual; 3) cromossomos metacêntricos com braços do mesmo ou quase do mesmo comprimento (Fig. 3, 4, 5 e 7).
Arroz. 4. Esquema da estrutura cromossômica na metáfase da mitose após divisão longitudinal do centrômero: A e A1 - cromátides irmãs; 1 - ombro longo; 2 - ombro curto; 3 – constrição secundária; 4- centrômero; 5 - fibras do fuso.
As características da morfologia de certos cromossomos são as constrições secundárias (que não têm a função de centrômero), bem como os satélites - pequenas seções de cromossomos conectadas ao resto de seu corpo por um fio fino (Fig. 5). Os filamentos satélites têm a capacidade de formar nucléolos. A estrutura característica no cromossomo (cromômeros) é o espessamento ou seções mais enroladas do fio cromossômico (cromonemas). O padrão cromômero é específico para cada par de cromossomos.
Arroz. 5. Esquema da morfologia cromossômica na anáfase da mitose (cromátide estendendo-se até o pólo). A - aspecto do cromossomo; B - estrutura interna de um mesmo cromossomo com seus dois cromonemas constituintes (hemicromatídeos): 1 - constrição primária com cromômeros constituindo o centrômero; 2 – constrição secundária; 3 - satélite; 4 - fio satélite.
O número de cromossomos, seu tamanho e forma na fase de metáfase são característicos de cada tipo de organismo. A combinação dessas características de um conjunto de cromossomos é chamada de cariótipo. Um cariótipo pode ser representado em um diagrama chamado idiograma (veja os cromossomos humanos abaixo).
Cromossomos sexuais. Os genes que determinam o sexo estão localizados em um par especial de cromossomos - cromossomos sexuais (mamíferos, humanos); em outros casos, o iol é determinado pela razão entre o número de cromossomos sexuais e todos os demais, chamados autossomos (Drosophila). Nos humanos, como em outros mamíferos, o sexo feminino é determinado por dois cromossomos idênticos, designados como cromossomos X, o sexo masculino é determinado por um par de cromossomos heteromórficos: X e Y. Como resultado da divisão reducional (meiose) durante o maturação dos oócitos (ver Oogênese) nas mulheres, todos os óvulos contêm um cromossomo X. Nos homens, como resultado da divisão redutora (maturação) dos espermatócitos, metade do esperma contém um cromossomo X e a outra metade um cromossomo Y. O sexo de uma criança é determinado pela fertilização acidental de um óvulo por um espermatozóide portador de um cromossomo X ou Y. O resultado é um embrião feminino (XX) ou masculino (XY). No núcleo interfásico das mulheres, um dos cromossomos X é visível como um aglomerado de cromatina sexual compacta.
Funcionamento cromossômico e metabolismo nuclear. O DNA cromossômico é o modelo para a síntese de moléculas específicas de RNA mensageiro. Essa síntese ocorre quando uma determinada região do cromossomo é despiralizada. Exemplos de ativação cromossômica local são: a formação de alças cromossômicas despiralizadas nos oócitos de pássaros, anfíbios, peixes (as chamadas escovas de lâmpada X) e inchaços (sopros) de certos loci cromossômicos em cromossomos multifilamentos (politenos) de as glândulas salivares e outros órgãos secretores de insetos dípteros (Fig. 6). Um exemplo de inativação de um cromossomo inteiro, ou seja, sua exclusão do metabolismo de uma determinada célula, é a formação de um dos cromossomos X de um corpo compacto de cromatina sexual.
Arroz. 6. Cromossomos politênicos do inseto díptero Acriscotopus lucidus: A e B - área delimitada por linhas pontilhadas, em estado de funcionamento intensivo (puff); B - a mesma área em estado de não funcionamento. Os números indicam loci cromossômicos individuais (cromômeros).
Arroz. 7. Conjunto cromossômico em cultura de leucócitos do sangue periférico masculino (2n=46).
Revelar os mecanismos de funcionamento dos cromossomos politênicos do tipo lampbrush e outros tipos de espiralização e despiralização cromossômica é crucial para a compreensão da ativação diferencial reversível de genes.
Cromossomos humanos. Em 1922, T. S. Painter estabeleceu o número diplóide de cromossomos humanos (na espermatogônia) em 48. Em 1956, Tio e Levan (N. J. Tjio, A. Levan) usaram um conjunto de novos métodos para estudar cromossomos humanos: cultura celular; estudo de cromossomos sem cortes histológicos em preparações de células inteiras; colchicina, que leva à interrupção das mitoses na fase de metáfase e ao acúmulo de tais metáfases; fitohemaglutinina, que estimula a entrada das células na mitose; tratamento de células metafásicas com solução salina hipotônica. Tudo isso permitiu esclarecer o número diplóide de cromossomos em humanos (acabou sendo 46) e fornecer uma descrição do cariótipo humano. Em 1960, em Denver (EUA), uma comissão internacional desenvolveu uma nomenclatura para os cromossomos humanos. De acordo com as propostas da comissão, o termo “cariótipo” deveria ser aplicado ao conjunto sistemático de cromossomos de uma única célula (Fig. 7 e 8). O termo "idiotram" é mantido para representar o conjunto de cromossomos na forma de um diagrama construído a partir de medições e descrições da morfologia cromossômica de diversas células.
Os cromossomos humanos são numerados (um tanto serialmente) de 1 a 22 de acordo com as características morfológicas que permitem sua identificação. Os cromossomos sexuais não possuem números e são designados como X e Y (Fig. 8).
Foi descoberta uma conexão entre uma série de doenças e defeitos congênitos no desenvolvimento humano, com alterações no número e na estrutura de seus cromossomos. (veja Hereditariedade).
Veja também estudos citogenéticos.
Todas essas conquistas criaram uma base sólida para o desenvolvimento da citogenética humana.
Arroz. 1. Cromossomos: A - na fase anáfase da mitose em microsporócitos trevo; B - na fase de metáfase da primeira divisão meiótica nas células-mãe do pólen de Tradescantia. Em ambos os casos, a estrutura espiral dos cromossomos é visível.
Arroz. 2. Fios cromossômicos elementares com diâmetro de 100 Å (DNA + histona) de núcleos interfásicos da glândula timo de bezerro (microscopia eletrônica): A - fios isolados de núcleos; B - corte fino através do filme da mesma preparação.
Arroz. 3. Conjunto cromossômico de Vicia faba (fava) na fase de metáfase.
Arroz. 8. Os cromossomos são iguais aos da Fig. 7, conjuntos, sistematizados segundo a nomenclatura de Denver em pares de homólogos (cariótipo).
A autoduplicação e a distribuição regular dos cromossomos sexuais (X e Y) entre as células-filhas garantem a transmissão de informações hereditárias. O conjunto de cromossomos humanos contém 22 pares de cromossomos somáticos (autossomos), que são exatamente iguais em homens e mulheres, e um par de cromossomos sexuais, que diferem dependendo do sexo. A combinação de um par de cromossomos X (XX) no zigoto determina o desenvolvimento do corpo feminino, a combinação de XY determina o desenvolvimento do corpo masculino.
O cromossomo Y contém apenas fatores associados à determinação do sexo (ver Genética do Sexo); não existem outros genes clinicamente importantes. O cromossomo X, embora não tenha importância decisiva para a determinação do sexo e a formação das características sexuais, possui centenas de genes clinicamente significativos, cujas alterações (mutações) podem causar muitas doenças hereditárias (hemofilia, miopatia de Duchenne, etc.).
Pelo fato das mulheres terem dois cromossomos X e os homens um, a herança de doenças cujos genes estão localizados no cromossomo X é incomum: na maioria dos casos, essas doenças aparecem nos homens e não nas mulheres.
Cromossomos sexuais, ou gonosomas, - cromossomos, cujo conjunto distingue indivíduos masculinos e femininos em animais e plantas com determinação cromossômica do sexo.
Tradicionalmente, os cromossomos sexuais, ao contrário dos autossomos, que são designados por números de série, são designados pelas letras X, Y, Z ou W. A ausência de um cromossomo sexual é indicada pelo número 0. Via de regra, um dos o sexo é determinado pela presença de um par de cromossomos sexuais idênticos (XX ou ZZ), e o outro - uma combinação de dois cromossomos desemparelhados ou a presença de apenas um cromossomo sexual (XY, ZW, X0, Z0).
Um piso que tem dois idênticos cromossomos sexuais, produz gametas que não diferem nos cromossomos sexuais, esse sexo é denominado homogamético. Em um sexo determinado por um conjunto de cromossomos sexuais desemparelhados, metade dos gametas carrega um cromossomo sexual e metade dos gametas carrega o outro cromossomo sexual, esse sexo é chamado heterogamético. Nos humanos, como em todos os mamíferos, o sexo homogamético é feminino (XX), o sexo heterogamético é masculino (XY). Nas aves, ao contrário, o sexo heterogamético é feminino (ZW) e o sexo homogamético é masculino (ZZ). Em alguns casos, o sexo é determinado não por um, mas por vários pares de cromossomos sexuais. Por exemplo, o ornitorrinco tem cinco pares de cromossomos sexuais, o sexo feminino é determinado pela combinação XXXXXXXXXX e o masculino - XYXYXYXYXY.
O estudo do cariótipo de uma pessoa ao microscópio é realizado pelo método citogenético.
Cariótipo- um conjunto de cromossomos característicos das células somáticas de um determinado organismo.
Ideograma (cariótipo sistematizado) - representação gráfica dos cromossomos, levando em consideração seu comprimento absoluto e relativo, índice centromérico, presença de uma segunda constrição e de um satélite.
O conceito de cariótipo foi introduzido por Sov. geneticista G. A. Levitsky (1924). O cariótipo é uma das características genéticas mais importantes de uma espécie, pois Cada espécie tem seu próprio cariótipo, que difere do cariótipo das espécies relacionadas (nisso se baseia um novo ramo da sistemática - a chamada cariossistemática). A constância do cariótipo nas células de um organismo é garantida pela mitose e dentro de uma espécie pela meiose. O cariótipo de um organismo pode mudar se as células sexuais (gametas) sofrerem alterações sob a influência de mutações. Às vezes, o cariótipo de células individuais difere do cariótipo da espécie como resultado das chamadas mutações somáticas cromossômicas ou genômicas. O cariótipo das células diplóides consiste em 2 conjuntos haplóides de cromossomos (genomas) obtidos de um ou outro progenitor; Cada cromossomo desse conjunto possui um homólogo de outro conjunto. O cariótipo de homens e mulheres pode diferir na forma (às vezes e no número) dos cromossomos sexuais, caso em que são descritos separadamente. Os cromossomos no cariótipo são examinados no estágio de metáfase da mitose. Descrição O cariótipo deve ser acompanhado de microfotografia ou esboço. Para sistematizar o cariótipo, os pares de cromossomos homólogos são dispostos, por exemplo, em comprimento decrescente, começando pelo par mais longo; os pares de cromossomos sexuais estão localizados no final da linha.
Pares de cromossomos que não diferem em comprimento são identificados pela posição do centrômero (constrição primária), que divide o cromossomo em 2 braços, pelo organizador nucleolar (constrição secundária), pelo formato do satélite e outras características. O cariótipo de vários milhares de espécies selvagens e cultivadas de plantas, animais e humanos foi estudado.
Autossomos - cromossomos emparelhados, iguais para organismos masculinos e femininos. Existem 44 autossomos (22 pares) nas células do corpo humano
Cromossomos sexuais - cromossomos contendo genes que determinam as características sexuais de um organismo.
No cariótipo (conjunto qualitativo e quantitativo de cromossomos) das mulheres, os cromossomos sexuais são iguais. No cariótipo de um homem há um grande cromossomo sexual de braços iguais, o outro é um pequeno cromossomo em forma de bastonete.
Os cromossomos sexuais femininos são designados XX e os cromossomos sexuais masculinos são designados XY. Corpo feminino forma gametas com cromossomos sexuais idênticos (organismo homogamético), e o corpo masculino forma gametas com cromossomos sexuais desiguais (X e Y).
Nas aves, borboletas e algumas espécies de peixes, o sexo masculino é homogamético. Em um galo, o cariótipo é designado XX, e em uma galinha, é designado XY.
24. Género, sua predestinação (progâmico, singâmico, epígamo).
Chão -É um conjunto de características e propriedades de um organismo que determinam sua participação na reprodução.
O sexo de um indivíduo pode ser determinado:
a) antes da fecundação do óvulo pelo espermatozoide (determinação programática do sexo);
b) no momento da fecundação (determinação do sexo síngamo);
c) após a fecundação (determinação do sexo epígamo).
Antes da fertilização, o sexo é determinado em alguns organismos como resultado da divisão dos óvulos em crescimento rápido e lento. Os primeiros (maiores) após a fusão com o gameta masculino dão origem às fêmeas, e os segundos (pequenos) dão origem aos machos. Nos rotíferos, que são capazes de se reproduzir além da reprodução sexuada usual com fertilização, partenogeneticamente, parte dos ovos partenogenéticos perdem metade de seus cromossomos durante o desenvolvimento. A partir desses ovos, os machos se desenvolvem e o restante dá origem às fêmeas.
No anelídeo marinho Bonellia, a determinação do sexo ocorre durante o processo de ontogênese: se a larva se instala no fundo, uma fêmea se desenvolve a partir dela, e se ela se fixa na tromba de uma fêmea adulta, então um macho.
Na grande maioria dos eucariontes, o sexo é determinado no momento da fertilização e é determinado genotipicamente pelo conjunto de cromossomos que o zigoto recebe de seus pais. As células de animais machos e fêmeas diferem em seus pares de cromossomos. Este par é chamado de cromossomos sexuais (heterossomos), em contraste com os demais - autossomos. Os cromossomos sexuais são geralmente chamados de cromossomos X e Y. Dependendo de sua combinação nos organismos, existem 5 tipos de determinação cromossômica do sexo:
1) XX, XO (O denota ausência de cromossomos) encontrados em espécies de Protenor (insetos);
2) XX, XY - é característico, por exemplo, de Drosophila, mamíferos (inclusive humanos);
3) XY, XX - esse tipo de determinação do sexo é típico de borboletas, pássaros e répteis;
4) XO, XX – observado em pulgões;
5) o tipo haplodiplóide (2n, n) é encontrado, por exemplo, em abelhas: os machos se desenvolvem a partir de ovos haplóides não fertilizados, as fêmeas a partir de ovos diplóides fertilizados.
Os mecanismos específicos que ligam o desenvolvimento do sexo masculino ou feminino a uma certa combinação de cromossomos sexuais variam de organismo para organismo. Nos humanos, por exemplo, o gênero é determinado pela presença do cromossomo Y: ele contém o gene TDP, codifica o testículo - fator determinante que determina o desenvolvimento do sexo masculino.
Na Drosophila, o cromossomo Y contém o gene da fertilidade, que é responsável pela fertilidade do homem, e o sexo é determinado pelo equilíbrio do número de cromossomos X e do número de conjuntos de autossomos (um organismo diplóide típico contém, respectivamente, dois conjuntos de autossomos). Os cromossomos X contêm genes que determinam o desenvolvimento ao longo do caminho feminino, e os autossomos - ao longo do caminho masculino.
Se a razão entre o número de cromossomos X e o número de conjuntos de autossomos for 0,5, então um homem se desenvolve, e se for 1, então uma mulher se desenvolve.
Além de homens e mulheres normais, às vezes aparecem indivíduos intersexuais - indivíduos cujas características sexuais ocupam uma posição intermediária entre masculino e feminino (não confundir com hermafroditas!). Isso pode ser causado tanto pela aneuploidia dos cromossomos sexuais nos gametas quanto por vários distúrbios (por exemplo, hormonais) durante o processo de diferenciação sexual.
Os cromossomos sexuais, diferentemente dos autossomos, não são designados por números de série, mas pelas letras X, Y, W ou Z, e a ausência de cromossomo é indicada pelo número 0. Nesse caso, um dos sexos é determinado pelo presença de um par de cromossomos sexuais idênticos (sexo homogamético, XX ou WW), e outro pela combinação de dois cromossomos não pareados ou presença de apenas um cromossomo sexual (sexo heterogamético, XY, WZ ou X0). Nos humanos, como na maioria dos mamíferos, o sexo homogamético é feminino (XX), o sexo heterogamético é masculino (XY). Nas aves, ao contrário, o sexo heterogamético é feminino (WZ) e o sexo homogamético é masculino (WW). Anfíbios e répteis possuem espécies (por exemplo, todas as espécies de cobras) com machos homogaméticos e fêmeas heterogaméticas, e algumas tartarugas (a tartaruga de peito cruzado Staurotypus salvinii e a tartaruga preta de água doce Siebenrockiella crassicollis), ao contrário, possuem machos heterogaméticos e homogaméticos. mulheres. Em alguns casos (no ornitorrinco), o sexo é determinado não por um, mas por cinco pares de cromossomos sexuais
Figura 13. Mapa do cromossomo X humano
Nas libélulas, foi demonstrado que a forma XY é evolutivamente mais recente que a forma XO. Outro ponto de vista é que os cromossomos sexuais se originam de um par comum de autossomos que carregam genes determinantes do sexo. Portanto, em algumas espécies (mais primitivas), o cromossomo Y tem o mesmo tamanho do cromossomo X, conjuga-se total ou parcialmente com ele e participa do cruzamento. E em outras espécies é pequeno, conectado ponta a ponta com o cromossomo X, sem cruzamento. Durante o processo de evolução, o cromossomo Y, por algum motivo, perde genes ativos, degrada-se e desaparece, porque a forma XY precede XO.
Figura 14. Cromossomos sexuais (X e Y)
O cromossomo Y é o cromossomo mais variável do genoma. Nos humanos, é geneticamente quase vazio (o gene das orelhas peludas e das membranas entre os dedos dos pés). Em outras espécies pode conter muitos genes ativos - em guppies - cerca de 30 genes Y para coloração masculina (e apenas 1 gene autossômico).
Cromossomo Y da Drosophila. Contém 9 genes: 6 determinam a fertilidade masculina, 3 agrupamentos de genes de rRNA cortados. A atividade dos genes bb leva à formação do nucléolo. O gene bb formador de nucléolo também está presente no cromossomo X - o local de emparelhamento dos cromossomos X e Y - o local das collohaes. Responsáveis pela conjugação são sequências curtas de nucleotídeos (240 pb) localizadas entre os genes de rRNA nos cromossomos X e Y. Remoção do locus bb - sem conjugação dos cromossomos sexuais. Outro gene - o cristal - afeta o comportamento dos cromossomos na meiose. Sua deleção interrompe a segregação dos cromossomos na meiose.
Drosophila tem 6 fatores de fertilidade masculina. Destes, 3 são muito grandes - ocupam 10% do cromossomo Y cada, ou seja, 4.000 KB cada
Existem 2 tipos de sequências no DNA do cromossomo Y:
Y - específico - famílias de 200-2.000 cópias, organizadas em grupos de unidades repetidas em tandem com 200-400 pb de comprimento. Provavelmente localizado em loops.
Associado a Y (encontrado em outros cromossomos).
Cromossomo Y humano
O cromossomo Y é o menor dos 24 cromossomos humanos e contém cerca de 2-3% do DNA do genoma haplóide, totalizando aproximadamente 51 Mb. Do volume total de DNA do cromossomo Y, 21,8 Mb foram sequenciados até o momento. O braço curto do cromossomo Y (Yp) contém aproximadamente 11 Mb, e o braço longo (Yq) contém 40 Mb de DNA, dos quais cerca de 7 Mb estão na parte eucromática de Yq e cerca de 3 Mb de DNA estão na parte centromérica. região do cromossomo. A maior parte (~60%) do braço longo do cromossomo Y é heterocromatina funcionalmente inativa, com aproximadamente 24 Mb de tamanho. O cromossomo Y possui várias regiões: regiões pseudoautossômicas (PARs); - região eucromática do braço curto (Yp11); - região eucromática da parte proximal do braço longo (Yq11); - região heterocromática da parte distal do braço longo (Yq12); - região da heterocromatina pericentromérica.
O cromossomo Y contém cerca de 100 genes funcionais. Devido à presença de regiões PAR homólogas nos cromossomos X e Y (telômeros), os cromossomos sexuais conjugam-se e recombinam-se regularmente com porções dessas regiões no zigoteno e no paquíteno da prófase I da meiose. No entanto, a maior parte (~95%) do cromossomo Y não participa da recombinação e é, portanto, chamada de região não recombinante do cromossomo Y (NRY - cromossomo Y da região não recombinante).
A região heterocromática do braço longo do cromossomo Y é geneticamente inerte e contém vários tipos de repetições, incluindo sequências altamente repetitivas das duas famílias DYZ1 e DYZ2, cada uma delas representada por aproximadamente 5.000 e 2.000 cópias, respectivamente.
Com base em uma análise comparativa dos genes dos gonossomos X e Y, três grupos de genes são distinguidos no cromossomo Y:
1. Genes PAR (PAR - Região Pseudoautossômica; genes das regiões pseudoautossômicas PAR1 e PAR2), localizados nas regiões teloméricas do cromossomo Y;
2. Genes homólogos XY localizados nas regiões não recombinantes Yp e Yq;
3. 3. Genes específicos de Y localizados nas regiões não recombinantes de Yp e Yq.
Figura 15. Cromossomo Y
O primeiro grupo é representado por genes de regiões (regiões) pseudoautossômicas. Eles são idênticos nos cromossomos X e Y e são herdados como genes autossômicos. A região PAR1 está localizada na extremidade do braço curto do cromossomo Y, é maior em tamanho que a região PAR2, localizada na extremidade do braço longo do cromossomo Y, e seu tamanho é de aproximadamente 2,6 Mb. Como as deleções de PAR1 levam a distúrbios na conjugação dos gonossomas durante a meiose em homens e podem levar à infertilidade masculina, presume-se que as regiões PAR sejam essenciais para o curso normal da espermatogênese em homens.
O segundo grupo de genes contém genes homólogos XY, mas não idênticos, que estão localizados em regiões não recombinantes do cromossomo Y (em Yp e Yq). Inclui 10 genes, representados em uma cópia no cromossomo Y, a maioria deles expressa em humanos em muitos tecidos e órgãos, incluindo testículos e próstata. Ainda não se sabe se esses genes homólogos XY são funcionalmente intercambiáveis.
O terceiro grupo de genes consiste em 11 genes localizados na região não recombinante do gonossomo Y (NRY). Todos esses genes, com exceção do gene SRY (cromossomo Y da região determinante do sexo), representado por uma cópia, são multicópias e suas cópias estão localizadas em ambos os braços do cromossomo Y. Alguns deles são genes candidatos ao fator AZF (fator Azoospermia, ou fator azoospermia).
Pouco se sabe sobre as funções exatas da maioria desses genes. Os produtos codificados pelos genes da região não recombinante do cromossomo Y possuem diversas funções, por exemplo, fatores de transcrição, receptores de citocinas, proteínas quinases e fosfatases, que podem influenciar a proliferação celular e/ou sinalização celular.
O locus AZF (Fator Azoospermia) está localizado no braço longo do cromossomo Y - contém genes que controlam o processo de diferenciação das células germinativas, ou seja, espermatogênese. Existem 3 regiões neste locus - a (800 kb), b (3,2 milhões de pb), c (3,5 milhões de pb). Microdeleções de seções desse locus são uma das principais causas genéticas da infertilidade masculina. Microdeleções do braço longo do cromossomo Y são encontradas em 11% dos homens com azoospermia e em 8% dos homens com oligozoospermia grave. Com a deleção de toda a região C do locus AZF, pode ocorrer bloqueio na mitose e na meiose durante a espermatogênese; Nas preparações histológicas desses pacientes, a maioria dos túbulos seminíferos não possui células germinativas.
O cromossomo Y é caracterizado por características específicas que o distinguem nitidamente de outros cromossomos humanos: 1) esgotamento de genes;
2) enriquecimento em blocos repetidos de nucleotídeos. Presença de regiões heterocromáticas significativas;
3) a presença de uma região de homologia com o cromossomo X - a região pseudoautossômica (PAR) (Chernykh, Kurilo, 2001).
O cromossomo Y geralmente não é grande - 2-3% do genoma haplóide. No entanto, a capacidade de codificação do seu DNA no Homo sapiens é suficiente para pelo menos vários milhares de genes. No entanto, neste objeto, apenas cerca de 40 chamadas ilhas CrG enriquecidas em pares GC são detectadas no cromossomo Y, geralmente flanqueando a maioria dos genes. A lista real de funções genéticas associadas a este cromossomo tem a metade. A influência fenotípica deste cromossomo em camundongos é limitada pelo peso dos testículos, níveis de testosterona, antígeno HY sorológico, sensibilidade dos órgãos aos andrógenos e comportamento sexual. A maioria dos genes neste cromossomo possui análogos do cromossomo X. A maioria das sequências do cromossomo Y são homólogas ao DNA do cromossomo X ou autossomos, e apenas algumas delas são estritamente únicas.
A presença de regiões pseudoautossômicas que permitem o emparelhamento e a recombinação meiótica é geralmente considerada uma condição necessária para a fertilidade. Curiosamente, o tamanho da região de emparelhamento meiótico é significativamente maior que o PAR. Nos humanos, existem duas regiões pseudoautossômicas na parte superior dos braços curto e longo do cromossomo X. No entanto, apenas para o primeiro deles o metabolismo obrigatório na meiose, a presença de quiasmas e o efeito na fertilidade foram estabelecidos.
Foi sugerido que os cromossomos sexuais dos mamíferos se originam do autossomo ancestral como resultado de ciclos independentes: adição - recombinação - degradação. O PAR, nesta terminologia, é apenas uma relíquia desta última adição. Em seguida, ocorre degradação e perda das partes correspondentes do cromossomo Y e inativação do cromossomo X. Todos os genes presentes no cromossomo Y têm valor seletivo real (por exemplo, SRY) ou estão em vias de extinção. Cada gene do cromossomo Y, que diverge rapidamente, se amplifica ou está sujeito à extinção, tem seu homólogo no cromossomo X, que é mais conservado e ativo em ambos os sexos. Assim, Sox3, um suposto homólogo do cromossomo X do SRY, codifica produtos quase idênticos em humanos, camundongos e marsupiais, e é expresso nos sistemas nervosos de ambos os sexos. O SRY diverge rapidamente e é ativo apenas no tubérculo gonadal. Este gene do cromossomo Y é amplificado em muitos camundongos e ratos.
Assim, o cromossomo Y, o único no genoma dos mamíferos, não atua diretamente na realização do fenótipo. O seu significado genético está associado à continuidade entre gerações, em particular ao controlo da gametogénese e à determinação primária do sexo. A seleção rigorosa atua apenas em alguns de seus genes; o restante do DNA é mais plástico.
O tema da pesquisa genética são os fenômenos da hereditariedade e da variabilidade. americano cientista T-X. Morgan criou a teoria cromossômica da hereditariedade, que prova que cada espécie biológica pode ser caracterizada por um cariótipo específico, que contém tipos de cromossomos como cromossomos somáticos e sexuais. Estes últimos são representados por um par separado, diferenciado por indivíduos masculinos e femininos. Neste artigo estudaremos qual a estrutura dos cromossomos femininos e masculinos e como eles diferem entre si.
O que é um cariótipo?
Cada célula contendo um núcleo é caracterizada por um certo número de cromossomos. É chamado de cariótipo. Em diferentes espécies biológicas, a presença de unidades estruturais de hereditariedade é estritamente específica, por exemplo, o cariótipo humano tem 46 cromossomos, chimpanzés - 48, lagostins - 112. Sua estrutura, tamanho e forma diferem em indivíduos pertencentes a diferentes táxons sistemáticos.
O número de cromossomos em uma célula do corpo é chamado de conjunto diplóide. É característico de órgãos e tecidos somáticos. Se, como resultado de mutações, o cariótipo mudar (por exemplo, em pacientes com síndrome de Klinefelter, o número de cromossomos é 47, 48), então esses indivíduos apresentam fertilidade reduzida e, na maioria dos casos, são inférteis. Outra doença hereditária associada aos cromossomos sexuais é a síndrome de Turner-Shereshevsky. Ocorre em mulheres que têm 45 em vez de 46 cromossomos no cariótipo. Isso significa que em um par sexual não existem dois cromossomos X, mas apenas um. Fenotipicamente, isso se manifesta no subdesenvolvimento das gônadas, características sexuais secundárias fracamente expressas e infertilidade.
Cromossomos somáticos e sexuais
Eles diferem tanto na forma quanto no conjunto de genes que os compõem. Os cromossomos masculinos de humanos e mamíferos estão incluídos no par sexual heterogamético XY, que garante o desenvolvimento das características sexuais masculinas primárias e secundárias.
Em pássaros machos, o par sexual contém dois cromossomos masculinos ZZ idênticos e é chamado de homogamético. Ao contrário dos cromossomos que determinam o sexo de um organismo, o cariótipo contém estruturas hereditárias que são idênticas tanto em homens quanto em mulheres. Eles são chamados de autossomos. Existem 22 pares deles no cariótipo humano. Os cromossomos sexuais masculinos e femininos formam 23 pares, portanto o cariótipo de um homem pode ser representado como uma fórmula geral: 22 pares de autossomos + XY e mulheres - 22 pares de autossomos + XX.
Meiose
A formação de células germinativas - gametas, cuja fusão forma um zigoto, ocorre nas glândulas sexuais: testículos e ovários. Em seus tecidos ocorre a meiose - o processo de divisão celular que leva à formação de gametas contendo um conjunto haplóide de cromossomos.
A oogênese nos ovários leva à maturação de óvulos de apenas um tipo: 22 autossomos + X, e a espermatogênese garante a maturação de dois tipos de gomes: 22 autossomos + X ou 22 autossomos + Y. Em humanos, o sexo do feto é determinado no momento da fusão dos núcleos do óvulo e do espermatozoide e depende do cariótipo do espermatozóide.
Mecanismo cromossômico e determinação do sexo
Já vimos o momento em que o sexo é determinado em uma pessoa - no momento da fertilização, e isso depende do conjunto cromossômico do esperma. Em outros animais, representantes de sexos diferentes diferem no número de cromossomos. Por exemplo, em vermes marinhos, insetos e gafanhotos, no conjunto diplóide de machos existe apenas um cromossomo do par sexual, e nas fêmeas - ambos. Assim, o conjunto haplóide de cromossomos do verme marinho macho Acirocanthus pode ser expresso pelas fórmulas: 5 cromossomos + 0 ou 5 cromossomos + x, e as fêmeas possuem apenas um conjunto de 5 cromossomos + x em seus ovos.
O que influencia o dimorfismo sexual?
Além do cromossômico, existem outras formas de determinar o sexo. Em alguns invertebrados - rotíferos - o sexo é determinado antes mesmo da fusão dos gametas - fertilização, como resultado da formação de pares homólogos de cromossomos masculinos e femininos. As fêmeas do poliqueta marinho Dinophyllus produzem dois tipos de ovos durante a ovogênese. Os primeiros são pequenos, sem gema, e a partir deles os machos se desenvolvem. Outros - grandes, com enorme suprimento de nutrientes - servem para o desenvolvimento das fêmeas. Nas abelhas melíferas - insetos da série Hymenoptera - as fêmeas produzem dois tipos de ovos: diplóides e haplóides. A partir de ovos não fertilizados, desenvolvem-se machos - zangões, e a partir de ovos fertilizados - fêmeas, que são abelhas operárias.
Hormônios e seu efeito na formação de gênero
Nos humanos, as glândulas masculinas – os testículos – produzem hormônios sexuais como a testosterona. Eles influenciam tanto o desenvolvimento (estrutura anatômica dos órgãos genitais externos e internos) quanto as características fisiológicas. Sob a influência da testosterona, são formadas características sexuais secundárias - estrutura esquelética, traços de figura, pelos corporais, timbre de voz.No corpo da mulher, os ovários produzem não apenas células sexuais, mas também hormônios, sendo hormônios sexuais, como o estradiol, progesterona, estrogênio, contribuem para o desenvolvimento dos órgãos genitais externos e internos, pelos corporais do tipo feminino, regulam ciclo menstrual e o curso da gravidez.
Em alguns vertebrados, peixes e anfíbios, as substâncias biologicamente ativas produzidas pelas gônadas influenciam fortemente o desenvolvimento das características sexuais primárias e secundárias, mas os tipos de cromossomos não têm um impacto tão grande na formação do sexo. Por exemplo, as larvas de poliquetas marinhos - Bonellias - sob a influência dos hormônios sexuais femininos param de crescer (tamanho 1-3 mm) e tornam-se machos anões. Eles vivem no trato genital das mulheres, que têm comprimento corporal de até 1 metro. Nos peixes limpadores, os machos mantêm haréns de várias fêmeas. As fêmeas, além dos ovários, possuem os rudimentos dos testículos. Assim que o macho morre, uma das fêmeas do harém assume sua função (as gônadas masculinas que produzem hormônios sexuais começam a se desenvolver ativamente em seu corpo).
Regulação sexual
É realizado de acordo com duas regras: a primeira determina a dependência do desenvolvimento das gônadas rudimentares da secreção de testosterona e do hormônio MIS. A segunda regra indica o papel excepcional desempenhado pelo cromossomo Y. O sexo masculino e todas as características anatômicas e fisiológicas que lhe correspondem desenvolvem-se sob a influência de genes localizados no cromossomo Y. A inter-relação e dependência de ambas as regras na genética humana é chamada de princípio do crescimento: em um embrião bissexual (isto é, possuindo os rudimentos das glândulas femininas - o ducto de Mülleriano e as gônadas masculinas - o canal de Wolff), a diferenciação da gônada embrionária depende da presença ou ausência do cromossomo Y no cariótipo.
Informações genéticas no cromossomo Y
Pesquisas de geneticistas, em particular T-H. Morgan, descobriu-se que em humanos e mamíferos a composição genética dos cromossomos X e Y não é a mesma. Os cromossomos masculinos humanos não possuem alguns dos alelos presentes no cromossomo X. No entanto, o seu pool genético contém o gene SRY, que controla a espermatogênese, levando à formação do sexo masculino. Distúrbios hereditários deste gene no embrião levam ao desenvolvimento de uma doença genética - a síndrome de Swire. Como resultado, o indivíduo feminino que se desenvolve a partir de tal embrião contém no cariótipo XY um par sexual ou apenas uma seção do cromossomo Y contendo o locus do gene. Ativa o desenvolvimento das gônadas. Nas mulheres doentes, as características sexuais secundárias não são diferenciadas e são inférteis.
Cromossomo Y e doenças hereditárias
Conforme observado anteriormente, o cromossomo masculino difere do cromossomo X tanto no tamanho (é menor) quanto na forma (parece um gancho). O conjunto de genes também é específico para ele. Assim, uma mutação em um dos genes do cromossomo Y se manifesta fenotipicamente pelo aparecimento de um tufo de pelos grossos no lóbulo da orelha. Este sinal é típico apenas para homens. Existe uma doença hereditária conhecida chamada síndrome de Klinefelter. Um homem doente tem cromossomos femininos ou masculinos extras em seu cariótipo: XXY ou XXYY.
Os principais sinais diagnósticos são crescimento patológico das glândulas mamárias, osteoporose e infertilidade. A doença é bastante comum: para cada 500 meninos recém-nascidos, há 1 paciente.
Resumindo, notamos que no homem, como em outros mamíferos, o sexo do futuro organismo é determinado no momento da fertilização, devido a uma certa combinação dos cromossomos sexuais X e Y no zigoto.