ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 3, с. 290-297
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 57.052
ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ И ИНВЕРСИЯ ПОЛА
У ПОЗВОНОЧНЫХ © 2015 г. А. В. Трухина, Н. А. Лукина, А. А. Некрасова, А. Ф. Смирнов
Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра генетики и биотехнологии, Санкт-Петербург — Старый Петергоф 199034 e-mail: trukhina_ant@mail.ru, smiraf@gmail.com Поступила в редакцию 07.07.2014 г.
В обзоре рассмотрены имеющиеся в литературе данные о регуляции детерминации и дифференци-ровки пола у различных групп позвоночных животных. Особое внимание в статье уделено факторам внешнего и внутреннего контроля для разных генетических систем детерминации пола, а также эпигенетическому контролю этого процесса. Рассматриваются также возможности инверсии пола у разных животных.
БО1: 10.7868/80016675815020150
В настоящее время для позвоночных животных предложено несколько моделей первичного определения пола. Самая известная среди них — генетическое определение пола (GSD, Genetic Sex Determination) — реализуется до или после оплодотворения. В ее основе лежит наличие так называемых половых хромосом. У животных с мужским гетерогаметным полом (ХХ/ХУ) данный признак определяется после оплодотворения, а у животных с женской гетерогаметностью (ZW/ZZ) — до оплодотворения. Предполагаемые схемы генетической детерминации пола для ряда животных объектов и систематических групп представлены в работе Cutting с соавт. [1]. Однако пол определяется множеством генов, многие из которых до сих пор не выявлены и не представлены в предлагаемой этими авторами схеме. Кроме того, слабо изучены цепочки взаимодействия продуктов уже известных генов, связанных с полом.
Организмы со средовой детерминацией пола (ESD, Environmental Sex Determinаtion) не приобретают пол непосредственно после оплодотворения, их пол индуцируется во время онтогенеза при воздействии абиотических (температура, рН, соленость) и биотических факторов (плотность популяции, патогены, гормоны). Наилучшим образом охарактеризована температурно-зависимая детерминация пола (TSD, Temperature-dependent Sex Determination), реализуемая во время термочувствительного периода эмбриогенеза перед или в самом начале гонадогенеза. Знания о TSD восходят к изучению таких животных, как крокодилы, ящерицы и черепахи [2].
У некоторых видов GSD не является фиксированным на всю жизнь. У них первоначальный пол может меняться в течение развития без изменения генотипа. Этот феномен получил название ESR (Environmental Sex Reversal) и отмечен у на-
секомых, рыб, амфибий и рептилий. Для некоторых видов рыб детерминация пола происходит во время постэмбрионального периода развития (post-hatching) и их относят к так называемой GSD—TE (GSD plus Temperature Effects) системе [3]. Существует также и полигенное определение пола (PSD, Polygenic Sex Determination), при котором решение о поле принимается в связи с ал-лельной комбинацией нескольких локусов. Такая детерминация пола характерна, например, для Danio rerio. Этот способ напоминает комплементарное определение пола (CSD, Complementary Sex Determination: single locus csd и multilocus csd), описанное для ряда насекомых. Множественные локусы обычно рассредоточены по всему геному, но у некоторых видов костистых рыб они расположены на особых половых хромосомах [4].
Строго говоря, выделяются два принципиально отличных механизма детерминации пола: генетический, основанный на внутреннем сигнале, и средовой, имеющий пусковые механизмы во внешней среде. Наряду с ними можно наблюдать и ряд переходных систем. В таких систематических группах как черепахи переход TSD—GSD осуществлялся несколько раз [5].
Особый интерес вызывают факторы контроля (внешние и внутренние) и правильного запуска разных систем детерминации пола. Заслуживает внимания и эпигенетический контроль этого процесса [6]: метилирование ДНК и гистонов, использование некодирующих РНК для активации и инактивации полоопределяющих генов [7].
ПОЛ У РЫБ
Рыбы представляют собой наиболее сложную группу животных по механизмам определения пола. В настоящее время известно более 30 тыс. видов
костистых рыб, и это самая большая группа позвоночных. В соответствии с закономерностями определения пола их делят на три группы: гонохо-рические (gonohorism) виды, у которых пол определяется генетически или с помощью факторов внешней среды; последовательные гермафродиты (около 2% из всех существующих видов), изменяющие пол самцов на пол самок (protoandrous), пол самок на пол самцов (protogynous) или в обоих направлениях (serial) в процессе онтогенеза; и синхронные гермафродиты, у которых одновременно развиты гонады обоих полов.
Генетический контроль пола у гонохорических рыб во многом неясен, а функциональный гермафродитизм встречается не только у рыб, но и у иглокожих, ракообразных, моллюсков, и теряется у позвоночных при переходе от амфибий к млекопитающим. В связи с этим рыбы представляют собой уникальную модель для изучения механизмов гермафродитизма у позвоночных [3, 8].
Получены доказательства гипотезы R. Gorelick о том, что у видов с гомоморфными половыми хромосомами (в случае TSD) пол контролируется дифференциальным метилированием определенных участков генома самцов и самок [9]. У морского окуня — вида с полигенным механизмом определения пола и почти равным температурным эффектом — на особях в возрасте до одного года было продемонстрировано влияние температуры на процесс метилирования промотора гена ароматазы (cyp19a1). Как оказалось, повышение температуры индуцирует метилирование соответствующего гена и маскулинизацию пола. В дальнейшем было показано, что в результате метилирования супрессируется способность продуктов генов SF-1 и Foxl2 стимулировать транскрипцию. Это можно рассматривать как первый пример эпигенетического механизма детерминации пола у позвоночных, находящегося под влиянием температуры [3, 10].
Связь между разными моделями детерминации пола изучена у морского языка (Cynoglossus semilae-vis) как вида, обладающего ZW-хромосомным вариантом GSD и одновременно способного к реализации температурного варианта ESD—TSD. Известно, что около 14% генетических самок становятся фенотипическими самцами при помещении в нормальные условия при t = 22°С. Более высокая температура (около 28°С) во время чувствительного периода приводит к увеличению доли самок до 73%. Таким образом, генетические задатки могут быть преодолены внешними факторами. При этом так называемые псевдосамцы фертильны и могут при скрещивании с нормальными самками давать жизнеспособное потомство. В данном случае предполагается, что поло-определяющим геном у этого вида является dmrt1, располагающийся в Z-хромосоме.
На C. semilaevis изучалась роль метилирования ДНК в переходе от GSD к TSD. Сравнивались уровни метилирования ДНК геномов псевдосамцов, самок и нормальных самцов, в результате чего была продемонстрирована существенная модификация метилирования при реверсии пола. У псевдосамцов такие изменения наследуются ZW-потомками, которые развиваются как псевдосамцы без температурной инкубации. Метилирование затрагивает цитозиновые остатки в ограниченной области Z-хромосомы в семенниках псевдосамцов и достигает уровня, характерного для семенников нормальных самцов. Напротив, специфические W-хромосомные гены, характерные для самок, супрессированы с помощью метилирования ГЦ-остатков у таких особей. Очевидно, потомство ZW-псевдосамцов наследует только отцовский аллель, в котором отключены детерминация пола факторами внешней среды и образование яичников. Предполагается, что новый рисунок метилирования импринтируется в геноме, не стирается, не отключается и передается следующим поколениям. Сортировка половых хромосом у потомства псевдосамцов и одновременно эпигенетическое наследование реализуются при реверсии пола у этого вида камбалы [11]. В цитированной работе эпигенетически контролируется точно не установленный набор Z и W хромосомных генов, участвующих в детерминации пола.
У позвоночных до недавнего времени было обнаружено всего четыре полоопределяющих гена: Sry (у млекопитающих), dmrt1 (у курицы), DMY(у медаки Oryzias latipes, O. curvinotus) и DM-W(у лягушки Xenopus laevis). У рыб недавно найдено еще четыре гена-кандидата на эту роль: amhy у пата-гонских пейеррея (Pejerrey patagonico), GSDFу лу-зонской медаки (Oryzias luzonensis), Amhr2 у фугу (Takifugu) и SDYу радужной форели (Oncorhynchus mykiss). У этих объектов предполагается разнообразие систем определения пола. Отсюда и большая пластичность детерминации пола, и возможность реверсии пола даже у видов с установленными генами контроля [4]. Считается, что причина такой вариабельности заключается в неконсервативности полоопределяющих генов у рыб. Согласно N. Perrin и его гипотезе "фонтан молодости", у пойкилотермных животных система определения пола сохраняет примитивное состояние и легко может быть изменена за счет периодической инверсии пола и рекомбинации между половыми хромосомами [12].
ОСОБЕННОСТИ ДЕТЕРМИНАЦИИ ПОЛА У АМФИБИЙ
Амфибии имеют две полоопределяющие системы: одну с гетерогаметными самцами (XX/XY), другую с гетерогаметными самками (ZW/ZZ). Большинство хвостатых земноводных
(отряд Caudata) имеют XX/XY-систему. Из 63 видов с исследованным кариотипом только у 20 найдены различающиеся половые хромосомы. Модели дифференциации пола у земноводных можно разделить на три типа: 1) прямое развитие недифференцированной гонады в семенники или яичники; 2) развитие недифференцированной гонады в яичник и последующее появление семенника через яичник; и 3) появление семенников из интерсексуальной фазы (полудифференцированный тип) [13].
Полоопределяющие гены у амфибий не являются решающим фактором для определения пола. Долгое время в хромосомах амфибий не могли найти каких-либо полоопределяющих генов. Недавно у гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus lae-vis) был найден ген-кандидат, подходящий на такую роль. Предполагается, что он принимает участие в развитии яичника. Шпорцевая лягушка обладает ZZ/ZW-системой определения пола. У нее найден ген DM-W, локализованный на W-хромосоме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.