Система определения пола — биологическая система , определяющая развитие половых признаков в организме . [1] Большинство организмов , которые создают свое потомство путем полового размножения, имеют два общих пола и несколько менее распространенных интерсексуальных вариаций.
У некоторых видов встречаются гермафродиты . [2] Есть также некоторые виды, у которых присутствует только один пол, временно или постоянно, из-за партеногенеза , акта размножения самки без оплодотворения .
У некоторых видов определение пола является генетическим: самцы и самки имеют разные аллели или даже разные гены , определяющие их половую морфологию . У животных это часто сопровождается хромосомными различиями, обычно за счет комбинаций хромосом XY , ZW , XO , ZO или гаплодиплоидии . Половая дифференциация обычно запускается основным геном («половым локусом»), за которым следует множество других генов, создавая эффект домино .
В других случаях пол плода определяется переменными окружающей среды (например, температурой ). Детали некоторых систем определения пола еще не до конца изучены. Надежды [ кто? ] для будущего анализа биологической системы плода включают в себя инициализированные сигналы полной системы воспроизводства, которые можно измерить во время беременности, чтобы более точно определить, является ли определенный пол плода мужским или женским. [ нужна цитация ] Такой анализ биологических систем может также указать, является ли плод гермафродитом, который включает в себя полностью или частично как мужские, так и женские органы воспроизводства.
Некоторые виды, такие как различные растения и рыбы, не имеют фиксированного пола, а вместо этого проходят жизненные циклы и меняют пол на основе генетических сигналов на соответствующих стадиях жизни своего типа. Это может быть связано с факторами окружающей среды, такими как время года и температура. У некоторых гонохорных видов некоторые особи могут иметь половые признаки обоих полов — состояние, называемое интерсексуальностью . [3]
Хотя разнообразие систем определения пола характерно для различных биологических систем, системы, выходящие за рамки XY/XX/XO у млекопитающих, часто оставляют на более продвинутых курсах для тех, чьи исследования специализируются на генетике других организмов.
Определение пола было обнаружено у мучного червя американским генетиком Нетти Стивенс в 1903 году. [4] [5] [6]
В 1694 году Дж. Р. Камерариус провел первые эксперименты по опылению и сообщил о существовании мужских и женских признаков у растений (кукуруза).
В 1866 году Грегор Мендель опубликовал работу о наследовании генетических признаков. Это известно как менделевское наследование , и оно в конечном итоге установило современное понимание наследования от двух гамет .
В 1902 г. К.Э. МакКлюнг определил половые хромосомы у насекомых.
В 1917 г. К. Э. Аллен открыл механизмы определения пола у растений.
В 1922 году С. Б. Бриджес выдвинул теорию генного баланса определения пола.
Система определения пола XX/XY является наиболее распространенной, поскольку она встречается у людей. Система XX/XY встречается у большинства других млекопитающих , а также у некоторых насекомых. В этой системе у женщин есть две половые хромосомы одного типа (XX), а у мужчин - две разные половые хромосомы (XY). Половые хромосомы X и Y отличаются друг от друга по форме и размеру, в отличие от остальных хромосом ( аутосом ), и иногда их называют аллосомами . У некоторых видов, например у людей, организмы какое-то время после своего создания остаются безразличными к полу; однако у других, например у плодовых мух, половая дифференциация происходит сразу после оплодотворения яйцеклетки. [7]
У некоторых видов (включая человека) на Y-хромосоме имеется ген SRY , определяющий мужскую принадлежность . Представители видов, зависящих от SRY, могут иметь необычные хромосомные комбинации XY, такие как XXY , и все еще жить. [7] Пол человека определяется наличием или отсутствием Y-хромосомы с функциональным геном SRY. После активации гена SRY клетки вырабатывают тестостерон и антимюллеров гормон , которые обычно обеспечивают развитие единственной мужской репродуктивной системы. [7] У типичных XX эмбрионов клетки секретируют эстроген , который направляет организм на женский путь.
При Y-центрированном определении пола ген SRY является основным геном, определяющим мужские характеристики, но для развития семенников требуется несколько генов. У мышей XY отсутствие гена DAX1 на Х-хромосоме приводит к бесплодию, а у человека - к врожденной гипоплазии надпочечников . [8] Однако, когда дополнительный ген DAX1 помещается в Х-хромосому, в результате получается женщина, несмотря на существование SRY. [9] Даже если у XX женщин имеются нормальные половые хромосомы, дупликация или экспрессия SOX9 вызывает развитие семенников. [10] [11] Постепенная смена пола у развитых мышей также может произойти, когда ген FOXL2 удаляется у самок. [12] Несмотря на то, что ген DMRT1 используется птицами в качестве полового локуса, виды, имеющие XY-хромосомы, также полагаются на DMRT1, содержащийся в хромосоме 9, для половой дифференциации на определенном этапе их формирования. [7]
Некоторые виды, например плодовые мухи , используют наличие двух Х-хромосом для определения женской принадлежности . [13] Виды, которые используют количество X для определения пола, нежизнеспособны с дополнительной Х-хромосомой.
У некоторых рыб есть варианты системы определения пола XY , а также обычная система. Например, Xiphophorus nezahualcoyotl и X. milleri , имея формат XY , также имеют вторую Y-хромосому, известную как Y', которая создает самок XY' и самцов YY'. [14]
По крайней мере, одна однопроходная , утконос , представляет собой особую схему определения пола, которая в некотором смысле напоминает схему половых хромосом ZW птиц и лишена гена SRY. У утконоса десять половых хромосом; мужчины имеют образец XYXYXYXYXY, а женщины имеют десять X-хромосом. Хотя это система XY, половые хромосомы утконоса не имеют гомологов с половыми хромосомами платипуса . [15] Вместо этого гомологи с половыми хромосомами эутериев лежат на хромосоме 6 уттерипа, а это означает, что половые хромосомы эутериев были аутосомами в то время, когда однопроходные отделились от млекопитающих териан (сумчатых и плаунообразных). Однако гомологи птичьего гена DMRT1 на половых хромосомах X3 и X5 утконоса предполагают, что вполне возможно, что ген, определяющий пол у утконоса, является тем же самым, который участвует в определении пола птиц. Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы определить точный ген, определяющий пол утконоса. [16]
В этом варианте системы XY у женщин есть две копии половой хромосомы (XX), а у мужчин — только одна (X0). 0 означает отсутствие второй половой хромосомы . Обычно в этом методе пол определяется количеством генов, выраженных в двух хромосомах. Эта система наблюдается у ряда насекомых, в том числе у кузнечиков и сверчков отряда прямокрылых и у тараканов (отряда Blattodea ). У небольшого числа млекопитающих также отсутствует Y-хромосома. К ним относятся колючая крыса Амами ( Tokudaia osimensis ) и колючая крыса Токуносима ( Tokudaia tokunoshimensis ) и Sorex araneus , вид землероек . Закавказские слепушонки ( Ellobius lutescens ) также обладают формой детерминации ХО, при которой у представителей обоих полов отсутствует вторая половая хромосома. [9] Механизм определения пола еще не изучен. [17]
Нематода C. elegans — самец с одной половой хромосомой (X0); с парой хромосом (ХХ) — гермафродит. [18] Его основным половым геном является XOL, который кодирует XOL-1 , а также контролирует экспрессию генов TRA-2 и HER-1. Эти гены уменьшают активацию мужских генов и увеличивают ее соответственно. [19]
Система определения пола ZW встречается у птиц, некоторых рептилий, некоторых насекомых и других организмов. Система определения пола ZW перевернута по сравнению с системой XY: у женщин есть два разных типа хромосом (ZW), а у мужчин - две хромосомы одного и того же типа (ZZ). Было обнаружено, что у кур это зависит от экспрессии DMRT1. [20] У птиц гены FET1 и ASW обнаружены на W-хромосоме самок, аналогично тому, как Y-хромосома содержит SRY. [7] Однако не все виды зависят от W в качестве пола. Например, есть мотыльки и бабочки с ZW, но у некоторых были обнаружены самки с ZO, а также самки с ZZW. [18] Кроме того, хотя млекопитающие деактивируют одну из своих дополнительных Х-хромосом у самок, похоже, что в случае чешуекрылых самцы производят вдвое больше нормального количества ферментов из-за наличия двух Z. [18] Поскольку определение пола ZW используется по-разному, до сих пор неизвестно, как именно большинство видов определяют свой пол. [18] Однако, как сообщается, шелкопряд Bombyx mori использует одну специфичную для самок piRNA в качестве основного определения пола. [21] Несмотря на сходство между системами ZW и XY, эти половые хромосомы развивались отдельно. В случае с курицей их Z-хромосома больше похожа на аутосому 9 человека. [22] Z-хромосома курицы также, по-видимому, связана с Х-хромосомой утконоса. [23] Когда вид ZW, такой как варан Комодо , размножается партеногенетически , обычно производятся только самцы. Это связано с тем, что гаплоидные яйца удваивают свои хромосомы, в результате чего получается ZZ или WW. ЗЗ становятся самцами, а ВВ нежизнеспособны и не доводятся до срока. [24]
В системах определения пола как XY, так и ZW половая хромосома, несущая критические факторы, часто значительно меньше и несет немногим больше генов, необходимых для запуска развития данного пола. [25] [ нужен лучший источник ]
Система определения пола ZZ/Z0 встречается у некоторых бабочек. У этих насекомых одна половая хромосома Z. У самцов две Z-хромосомы, а у самок одна Z. У самцов ZZ, у самок Z0. [26] [27] [28]
У некоторых видов мохообразных и некоторых видов водорослей гаметофитная стадия жизненного цикла не является гермафродитной, а возникает в виде отдельных мужских или женских особей, которые производят мужские и женские гаметы соответственно. Когда мейоз происходит в поколении спорофитов жизненного цикла, половые хромосомы, известные как U и V, сортируются в споры, которые несут либо U-хромосому и дают начало женским гаметофитам, либо V-хромосому и дают начало мужским гаметофитам. [29] [30]
Гаплодиплоидия обнаружена у насекомых, принадлежащих к перепончатокрылым , таких как муравьи и пчелы . Определение пола контролируется зиготностью дополнительного локуса определения пола ( csd ). Из неоплодотворенных яиц развиваются гаплоидные особи, которые имеют единственную гемизиготную копию локуса csd и, следовательно, являются самцами. Из оплодотворенных яиц развиваются диплоидные особи, которые из-за высокой изменчивости локуса csd обычно представляют собой гетерозиготных самок. В редких случаях диплоидные особи могут быть гомозиготными, из них развиваются стерильные самцы. Ген, действующий как локус csd , был идентифицирован у медоносных пчел , и несколько генов-кандидатов были предложены в качестве локуса csd для других перепончатокрылых. [31] [32] [33] Большинство самок отряда перепончатокрылых могут определять пол своего потомства, удерживая полученную сперму в сперматеке и либо выпуская ее в яйцевод, либо нет. Это позволяет им создавать больше рабочих, в зависимости от статуса колонии. [34]
Другие необычные системы включают системы зеленого меченосца (полифакториальная система с генами, определяющими пол, на нескольких хромосомах) [ 14] мошек Chironomus [ необходимы разъяснения ] [ нужна ссылка ] ; ювенильный гермафродитизм рыбок данио с неизвестным возбудителем; [14] и утконос , имеющий W, X и Y-хромосомы. Это позволяет женщинам WY, WX или XX и мужчинам YY или XY. [14]
Тип спаривания у микроорганизмов аналогичен полу у многоклеточных организмов и иногда описывается с использованием этих терминов, хотя они не обязательно коррелируют с физическими структурами тела. Некоторые виды имеют более двух типов спаривания. Тетрахимена , разновидность инфузорий , имеет семь типов спаривания. Schizophyllum commune , разновидность гриба, насчитывает 23 328.
Существует множество других систем определения пола. У некоторых видов рептилий, включая аллигаторов , некоторых черепах и туатару , пол определяется температурой, при которой яйцо инкубируется в период, чувствительный к температуре. Примеров температурно-зависимого определения пола (ТЗД) у птиц нет. Раньше считалось, что у мегаподов наблюдается это явление, но оказалось, что на самом деле у них разные уровни смертности эмбрионов в зависимости от температуры для каждого пола. [35] Для некоторых видов с TSD определение пола достигается путем воздействия более высоких температур, в результате чего потомство оказывается одного пола, а более низкие температуры приводят к другому полу. Этот тип TSD называется Pattern I. Для других видов, использующих TSD, воздействие температур обоих крайних значений приводит к появлению потомства одного пола, а воздействие умеренных температур приводит к появлению потомков противоположного пола, что называется TSD Модель II . Конкретные температуры, необходимые для образования каждого пола, известны как температура, способствующая развитию самок, и температура, способствующая развитию самцов. [36] Когда температура остается вблизи порога в течение периода чувствительности к температуре, соотношение полов варьируется между двумя полами. [37] Температурные стандарты некоторых видов основаны на том, когда создается конкретный фермент. Эти виды, у которых определение пола зависит от температуры, не имеют гена SRY , но имеют другие гены, такие как DAX1 , DMRT1 и SOX9 , которые экспрессируются или не экспрессируются в зависимости от температуры. [36] Пол некоторых видов, таких как нильская тилапия , австралийский сцинк и австралийская ящерица-дракон , имеет первоначальную предвзятость, задаваемую хромосомами, но позже может быть изменен в зависимости от температуры инкубации. [14]
Неизвестно, как именно эволюционировало определение пола в зависимости от температуры. [38] Это могло произойти благодаря тому, что определенные полы стали более приспособлены к определенным областям, которые соответствуют температурным требованиям. Например, более теплая территория может быть более подходящей для гнездования, поэтому будет произведено больше самок, чтобы увеличить количество гнездящихся в следующем сезоне. [38] У амниот определение пола в окружающей среде предшествовало генетически детерминированным системам птиц и млекопитающих; Считается, что амниоты , зависящие от температуры, были общим предком амниот с половыми хромосомами. [39]
Существуют и другие системы определения пола в окружающей среде, в том числе системы определения местоположения, зависящие от местоположения, как это видно у морского червя Bonellia viridis : личинки становятся самцами, если они вступают в физический контакт с самкой, и самками, если они оказываются на голом морском дне. Это вызвано присутствием химического вещества, вырабатываемого самками, бонеллина . [40] Некоторые виды, например некоторые улитки , практикуют смену пола : взрослые особи сначала становятся самцами, а затем становятся самками. У тропических рыб-клоунов доминирующей особью в группе становится самка, а остальные — самцы, а у синеголовых губанов ( Thalassoma bifasciatum ) — наоборот. Однако у некоторых видов нет системы определения пола. К видам гермафродитов относятся обыкновенный дождевой червь и некоторые виды улиток. Некоторые виды рыб, рептилий и насекомых размножаются партеногенезом и вообще являются самками. Есть некоторые рептилии, такие как удав и дракон Комодо , которые могут размножаться как половым, так и бесполым путем, в зависимости от наличия партнера. [41]
Системы определения пола, возможно, произошли от типа спаривания , который является особенностью микроорганизмов .
Хромосомное определение пола, возможно, возникло на ранних этапах истории эукариот. [42] Но у растений было высказано предположение, что он развился недавно. [43]
Принятая гипотеза эволюции половых хромосом XY и ZW у амниот состоит в том, что они развивались одновременно, в двух разных ветвях. [44] [45]
Никакие гены не являются общими между ZW-хромосомами птиц и XY-хромосомами млекопитающих [46], а Z-хромосома курицы похожа на аутосомную хромосому 9 человека, а не на X или Y. Это предполагает, что системы определения пола ZW и XY не имеют общего происхождения. но что половые хромосомы произошли от аутосомных хромосом общего предка птиц и млекопитающих. У утконоса , однопроходного , хромосома X1 имеет гомологию с терианскими млекопитающими , тогда как хромосома X5 содержит птичий ген определения пола, что еще раз указывает на эволюционную связь. [47]
Однако есть некоторые свидетельства, позволяющие предположить, что могли быть переходы между ZW и XY, например, у Xiphophorus maculatus , у которых есть системы ZW и XY в одной и той же популяции, несмотря на то, что ZW и XY имеют разные местоположения генов. [48] [49] Недавняя теоретическая модель предполагает возможность как переходов между системами XY/XX и ZZ/ZW, так и определения пола в окружающей среде. [50] Гены утконоса также подтверждают возможную эволюционную связь между XY и ZW, потому что у них есть ген DMRT1 , которым обладают птицы в их Х-хромосомах. [51] Тем не менее, XY и ZW следуют по схожему маршруту. Все половые хромосомы возникли как исходные аутосомы исходного амниота, пол потомства которых определялся по температуре. После разделения млекопитающих ветвь рептилий далее разделилась на Lepidosauria и Archosauromorpha . Обе эти две группы развили систему ZW отдельно, о чем свидетельствует существование разных участков половых хромосом. [45] У млекопитающих одна из пар аутосом, теперь Y, мутировала свой ген SOX3 в ген SRY , в результате чего эта хромосома стала обозначать пол. [45] [51] [52] После этой мутации SRY-содержащая хромосома инвертировалась и больше не была полностью гомологичной со своим партнером. Области X и Y-хромосом , которые все еще гомологичны друг другу, известны как псевдоаутосомные области . [53] После инвертирования Y-хромосома стала неспособна лечить вредные мутации и, таким образом, дегенерировала . [45] Есть некоторые опасения, что Y-хромосома еще больше сократится и перестанет функционировать через десять миллионов лет: но Y-хромосома строго законсервирована после первоначальной быстрой потери генов. [54] [55]
Есть некоторые виды позвоночных, такие как рыба медака , у которых половые хромосомы развились отдельно; их Y-хромосома никогда не инвертируется и все еще может обмениваться генами с X. Половые хромосомы этих видов относительно примитивны и неспециализированы. Поскольку Y не имеет генов, специфичных для самцов, и может взаимодействовать с X, могут образоваться самки XY и YY, а также самцы XX. [14] Неинвертированные Y-хромосомы с длительной историей обнаружены у питонов и эму , возраст каждой системы превышает 120 миллионов лет, что позволяет предположить, что инверсии не обязательно являются случайностью. [56] Определение пола XO может развиться из определения пола XY примерно через 2 миллиона лет. [ необходимо разъяснение ] [57]