Cytogenetika 07 Pohlavní rozmnožování a Pohlavní chromozomy Výměna genetické informace u živých organizmů Mikrobi (Eubacteria, Archea): sporadicky a neorganizovaně, následkem stresu (nedostatek živin…), napadení virem, není zde meioza Eubacteria Archea Výměna plasmidů ve stresových podmínkách, Zvláštní typ konjugace = tvorba shluků jako reakce na faktory ničící DNA – následuje výměna DNA a oprava DNA pomocí homologní rekombinace (=primitivní sex), tvorba geneticky podobných kolonií více podobných biologickému druhu než u bakterií. Archea obývají různá prostředí, extrémní i běžná, ale špatně se kultivují Výměna genetické informace u živých organizmů Eukaryota (prvoci, houby, rostliny, živočichové): velice organizovaně v určitých fázích života, meióza = redukční dělení Až na výjimky se všechna eukaryota pravidelně dopouštějí pohlavního rozmnožování! Výjimky: vždy jde o organismy na koncových větvích fylogenetického stromu a vždy jsou to evolučně mladé druhy (rody) maximálně stovky tisíc let staré = pravděpodobně dříve nebo později kvůli změně podmínek vyhynou. např.: Lasturnatky Darwinulidae Roztoči Oribatida (obývají hluboké vrstvy půdy) Pijavenky (vířníci rodu Bdelloidea) – 40 milionů let stará linie, 18 rodů, 360 druhů. Partenogenetické samičky. Klidová stadia na přežití nepříznivých podmínek. Unikátní způsob získávání genetické informace od bakterií, hub, prvoků, řas – vypůjčují si jejich geny (horizontální genový transfer) - náhrada sexu? Anisogamie V podstatě jediné obecné pravidlo týkající se pohlavního rozmnožování je, že pohlaví s většími gametami je samičí Jak definovat, kdo je samička a kdo sameček? Pohlavní rozmnožování má mnoho nevýhod -Dvojnásobná cena sexu (ekologická cena samců) = poloviční rychlost růstu populace oproti populaci složené jen z partenogenetických samic. -Dvojnásobná genetická cena samců (meiózy) = pohlavní cestou se předává potomstvu jen ½ genetické informace oproti celé informaci u nepohlavních organizmů. -Složitost meiotického aparátu náchylného k poruchám a snížení plodnosti. -Sebelépe namíchaná genetická informace se v potomcích znovu promíchá a ti tak s vysokou pravděpodobností nebudou stejně dobře adaptovaní jako rodič. -Riziko vymření druhu, když je osídlení řídké a těžce se hledá partner. -Energeticky náročné hledání partnera spojené s rizikem, že budu sežrán nebo napaden parazitem. Neštěstí nechodí po horách v kompletní sestavě a málokdy je pohlavní druh ohrožován vším naráz: Hermafroditismus, vnější oplození nebo společná péče o potomky řeší dvojnásobnou cenu sexu. I při umělém oplození dochází k narušení procesu imprintingu 6x vyšší výskyt Beckwithova-Wiedemannova syndromu Nadměrný růst a zvýšený výskyt různých typů rakoviny Souvisí se špatnou regulací genu pro růstový faktor IGF2 – Střet zájmů otec x matka Pohlavní rozmnožování má ale i své výhody Genetické teorie: -August Weismann (konec 19. stol.) – míchání diploidní genetické informace urychluje evoluci → Fisher-Mullerova hypotéza. -Spojování výhodných mutací vzniklých v různých liniích a možnost zbavit se sousední nevýhodné mutace díky rekombinaci. -Snadnější obrana proti genomovým parazitům (mobilním elementům). -Nutnost zachování diploidního stavu – možnost opravit mutace, přežití díky rezervě ve funkční alele, urychlení evoluce alel, udržení polymorfismu v populaci. -Mullerova rohatka (dlouhodobé hromadění mírně škodlivých mutací) – nepohlavní druh přežije jen, pokud je populace obrovská a přírodní výběr má vždy možnost zvolit jedince bez mutací (bakterie). Ale reálné mnohobuněčné organismy tvoří malé populace, kde by se mírně škodlivé mutace hromadily, jelikož nemají vliv na fitness jedince a jejich osud řídí náhoda – genetický drift. Díky rekombinaci se mírně škodlivé mutace mohou dostat do některých potomků, kteří se nereprodukují, a populace zůstane zachována. Ekologické teorie: -Červená královna (negativní dědičnost vlastností) – neustálá nutnost přizpůsobovat se okolí abiotickému i biotickému (parazitům, predátorům, konkurentům, vnitrodruhovým strategiím přežití…). Je dobré být jiný než rodiče, protože na ty už se protivník adaptoval. Pohlavní druh vždy tvoří velice variabilní potomstvo s množstvím kombinací alel, takže se vždy najde potomek schopný přežít. + Fluktuující selekce = možnost vydat se zpět díky genet. polymorfismu. -Hypotéza loterie vlastního pokoje – každý potomek si najde vhodné místo podle své GI. -Hypotéza genetické elity (sisyfovské genotypy) – v každé generaci je malý počet ideálně přizpůsobených momentálním podmínkám. -Hypotéza životem kypícího břehu – potomci dovedou kombinovat zdroje a rozšiřovat niku druhu (frekvenčně závislá selekce) Evoluční past: nelze jít zpět, např. u savců se složitými maternálními a paternálními epigenetickými a jinými procesy (imprinting), bez nichž nevznikne funkční zygota. Fisherova-Mullerova hypotéza S pohlavním rozmnožováním může být výhodná mutace zkombinována s ostatními výhodnými mutacemi rychle (rychlejší adaptace) U nepohlavního rozmnožování se výhodné mutace fixují postupně FisherMuller Maynard Smith 1987. RNAi degraduje nespárovanou DNA během meiozy (eliminace transpozicí) Matzke MA and Birchler JA, Nature Reviews Genetics, 2005 → odstranění inzercí TE Batesmanovo pravidlo •Když jedno pohlaví investuje do rozmnožování výrazně více, příslušníci druhého pohlaví bojují mezi sebou navzájem o jeho přízeň. Fenomény spojené s odděleným pohlavím Hypotéza sexy-synů •Pro samici je výhodnější vybírat si sexuálního partnera, který se o potomstvo sice nestará, ale je atraktivní pro ostatní samice – její geny se lépe uplatní v další generaci Ale! Každá strategie nebo kombinace strategií musí být evolučně stabilní, jinak dojde k zániku populace Mechanismy determinace pohlaví Pohlaví jedince většinou zásadně určuje způsob jeho života, pohlaví potomstva může ovlivnit fitness rodičů a zachování obou pohlaví v optimálním poměru je (téměř) nezbytné pro zachování druhu. Proto všechny sexuální druhy mají způsob, jakým se pohlaví u jedinců určuje. To může mít podobu buď vnějšího stimulu (teplota během kritického období vývoje zárodků, pH vody, sociální stimuly jako přítomnost jedinců opačného pohlaví, atd.), nebo je určeno genetickým faktorem (genem na pohlavních chromosomech, lokusem/lokusy na autosomech, maternálním determinantem). I když tradičně se na tyto dva typy určení pohlaví pohlíží jako na dvě alternativní možnosti, ve skutečnosti se jedná o extrémy kontinua, kde některé druhy používají k určení pohlaví kombinaci obou způsobů. Genotypické určení pohlaví Typy chromosomálního určení pohlaví Je-li pohlaví určeno geneticky, zpravidla je gen určující pohlaví umístěn na pohlavních chromosomech. Podle toho, zda pohlavím se dvěma různými typy pohlavních chromosomů je samec nebo samice, rozlišujeme dva základní typy chromosomálního určení pohlaví. První je typ savčí (nebo také typ Drosophila), kdy je heterogametickým (tvoří gamety s chromosomy X nebo Y) pohlavím samec a nese dva různé pohlavní chromosomy X a Y, zatímco tzv. homogametická samice má dva chromosomy X (všechny gamety shodně nesou chromosom X). Druhým typem je typ ptačí (nebo také Abraxas podle píďalky angreštové Abraxas grossulariata), kde samice má chromosomy Z a W a samec ZZ. Od těchto základních typů určení pohlaví existuje mnoho numerických variant, kdy některé druhy mají mnohočetné pohlavní chromosomy (např. ptakopysk X1X1X2X2X3X3X4X4X5X5 /X1Y1X2Y2X3Y3X4Y4X5Y5), nebo jim naopak některý pohlavní chromosom chybí (např. Y u sarančí nebo W u chrostíků). Jak probíhá evoluce pohlavních chromosomů Pohlavní chromozomy se vyvinuly: z páru autozomů, nezávisle, během evoluce opakovaně a to jak u rostlin, tak u živočichů Pohlavní chromosomy se v drtivé většině případů vyvíjejí z páru autosomů (alternativou jsou B-chromosomy, což je ale poměrně vzácné). Obrázek (Bachtrog 2006 ) popisuje vznik a evoluci pohlavních chromosomů X a Y, totéž platí pro chromosomy Z a W. Jeden chromosom z homologního páru obdrží gen, který funguje jako hlavní spínač určující pohlaví jedince, (na obrázku gen určující vývoj v samce). Takový gen se může vyvinou de novo, nebo se přesune z původního pohlavního chromosomu např. translokací. Protože se takový chromosom bude nadále vyskytovat jen v samčím pohlaví, začnou se v jeho blízkosti shromažďovat geny, které jsou výhodné jen pro toto pohlaví (např. geny účastnící se spermatogeneze). Bylo by výhodné, aby takové geny byly trvale ve vazbě s genem určujícím pohlaví, zejména, pokud je takový gen nevýhodný pro samici. Proto selekce upřednostní změny, které povedou k zablokování rekombinace mezi těmito geny, např. chromosomální inverze. V místě, kde rekombinace neprobíhá, ale nemohou být geny poškozené mutacemi vyměněny za nepoškozené z homologního chromosomu, proto se geny v úseku bez rekombinace začnou měnit v poškozené neaktivní pseudogeny. V takových místech se navíc budou šířit mobilní elementy, jejichž vysoká koncentrace je typickým znakem evolučně starých chromosomů Y a W. S přibývajícím počtem genů výhodných pro samce se bude rozšiřovat i oblast bez rekombinace. Vrcholem jsou dva geneticky odlišné chromosomy, které navzájem nerekombinují a nesou odlišné geny, tedy Y a X. Celý cyklus může skončit tak, že dojde ke vzniku nového genu určujícího pohlaví a chromosom Y může být zcela ztracen. Celý proces degenerace pohlavních chromosomů začne od začátku. Proto u různých druhů/skupin můžeme najít pohlavní chromosomy v různém stádiu degenerace, od evolučně mladých homomorfních chromosomů, které se kromě genu určujícího pohlaví neliší, až po staré degenerované chromosomy, které nerekombinují a nesou zcela jiný genetický materiál. Mezi těmito extrémy existuje škála přechodů, kam patří např. lidské chromosomy X a Y, které jsou sice z velké části odlišné, ale párují se v tzv. pseudoautosomálních oblastech, které jsou pozůstatky bývalé homologie a kde stále dochází k rekombinaci. Chromosomů Z a X se tento proces degenerace netýká, protože v homogametickém pohlaví normálně rekombinují, ale díky faktu, že se v homogametickém pohlaví nacházejí 2/3 času (Y/W nikdy, autosomy 1/2) a že v heterogametickém pohlaví se projevují recesivní alely genů, které jsou na nich lokalizované (tzv. hemizygotní stav), se částečně změní skladba genů, které nesou. Vzestup a pád chromozomu Y Vznik chromozomu Y vytvořením dominantní alely výhodné pro vývoj samečka Alely podobné funkce se přesouvají na proto-Y Ztráta rekombinace s X chromozomem Akumulace mutací podél nerekombinující oblasti Akumulace mutací v blízkosti těchto alel Degenerovaný Y Zánik chromozómu Y FG07_20 FG07_20 FG07_20 Počet mutací Mírně škodlivé a neutrální mutace nejsou rekombinací odstraňovány a jsou na Y chromozómu kumulovány. Genetickým driftem je potom v populaci nejpravděpodobněji fixován chromozóm s nejčastěji se vyskytující mutační zátěží. Müllerova rohatka Muller’s ratchet Genetic Hitchhiking (Genetické svezení se) •Neutrální nebo slabě negativní mutace se přenáší do další generace v případě vazby na pozitivně selektovanou alelu Na rozdíl od živočichů jsou pohlavní chromosomy u rostlin poměrně vzácné. V tabulce (Kumar et al. 2014) je uveden počet druhů v jednotlivých rostlinných taxonech, počet a procenta dvoudomých druhů a počet druhů s morfologicky odlišitelnými pohlavními chromosomy. Nejvyšší počet druhů s pohlavními chromosomy se nachází u krytosemenných rostlin, zatímco u plavuní (Lycophyta) a kapradin (Monilophyta) není znám žádný druh s pohlavními chromosomy. O původu pohlavních chromozomů u druhů rodu Silene •S. otites S. latifolia D:\fotky prezentace EMPSEB\cht2.tif D:\fotky prezentace EMPSEB\cht2.tif D:\fotky prezentace EMPSEB\cht2.tif D:\fotky prezentace EMPSEB\cht2.tif D:\fotky prezentace EMPSEB\cht2.tif D:\fotky prezentace EMPSEB\cht2.tif X X Y Z W Y D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png D:\fotky prezentace EMPSEB\Bez názvu3.png S. colpophylla Schematic ancestral Silene karyotype 2n=24 Pohlavní chromozomy v rodu Silene vznikly nezávisle na sobě nejméně třikrát! Tabulka z práce Traut 1999 uvádí přehled typů chromosomálního určení pohlaví u různých skupin hmyzu. U většiny skupin převládají heterogametičtí samci (tedy typ XX/XY nebo X0 a jejich numerické varianty). Výjimkou jsou sesterské řády chrostíci (Trichoptera) a motýli (Lepidoptera), kteří mají heterogametické samice (Z0 nebo ZW + numerické varianty). Příkladem cyklického vývoje pohlavních chromosomů jsou pohlavní chromosomy drozofil (Graves 2005). U společného předka dvoukřídlého hmyzu z autosomů vznikly morfologicky odlišné pohlavní chromosomy X a Y. U společného předka skupiny Drosophilidae se Y ztratil a byl nahrazen chromosomem B. Ten se stal novým Y1 a zdegeneroval. U skupiny kolem druhu Drosophila pseudoobscura došlo k fúzi X s autosomem. Homolog autosomu se stal Y2 a zdegeneroval. Y1 se ztratil, ale jeho části byly nalezeny na páry autosomů, kde díky přítomnosti rekombinace prošly částečným ozdravným procesem. Graves, NRG, 2016 O původu pohlavních chromozomů obratlovců Pohlavní chromozomy obratlovců Pohlavní chromosomy v různých fázích degenerace najdeme u různých skupin (nejen) obratlovců. Např. obojživelníci mají často kryptické (= homomorfní) pohlavní chromosomy, podobně jako hroznýšovití hadi. Málo odlišné chromosomy mají běžci, čili bazální větev ptáků, a některé ryby. Savci, letci a zmije mají vysoce odvozené pohlavní chromosomy a vrcholem jsou hlodavci slepuška (2 druhy rod Ellobius) a krysa japonská (Tokudaia osimensis), kteří ztratili chromosom Y a s ním i gen Sry, zatímco skupina genů důležitých pro spermatogenezi byla přenesena na X. Pohlavní chromosomy se vyvíjely z autosomů nezávisle u různých skupin, takže není divné, že co je pohlavní chromosom u jedné skupiny, je jinde autosomem, např. Z kura odpovídá lidským chromosomům 9 a 5, savčí X je homologický kuřecím chromosomům 4p a 1. Chromosomy Z a W hadů a ptáků taky nejsou homologické. Lidský chromosom Y obsahuje dvě pseudoautosomální oblasti (PAR, pseudoautosomal region), lokalizované na koncích chromosomu. Tyto oblasti jsou pozůstatkem bývalé homologie X a Y, nesou homologické sekvence a zejména mezi většími PAR1 na konci krátkého raménka dochází běžně k rekombinaci. Drtivá většina chromosomu Y je ale specifická pro samce, přičemž významnou část zaujímá heterochromatin, jehož obsah neznáme (nebyl osekvenován) a patrně nenese žádné geny. Zbytek je euchromatinová oblast nesoucí 78 genů. Tento úsek lidského chromosomu Y specifický pro samce (MSY) je z velké části složen ze tří typů sekvencí: palindromy, X- degenerované a Xtransponované. Palindromy obsahují geny, které jsou exprimované především v testes, přičemž kopie genů v rámci palindromu mají mimořádně vysokou podobnost, což ukazuje na to, jakou funkci tyto palindromy mají; mezi X a Y mimo PAR neprobíhá crossing-over, geny zbaveny toho ozdravného procesu jsou odsouzeny k degeneraci mutacemi. Palindromy jsou elegantním způsobem jak toto obejít, protože mezi rameny palindromu rekombinace probíhá, geny v nich jsou tedy ozdravovány stejně jako při rekombinaci mezi homologními chromosomy, a proto jsou dlouhodobě zachovány. X-degenerované sekvence jsou pozůstatkem bývalé homologie X a Y a obsahují geny, které jsou ve většině případů exprimovány všude. Třetí typ sekvencí, transponované z moderního X na Y, se u šimpanzů nevyskytují a vznikly až po oddělení našich druhů. Skaletsky et al. 2003 Skupiny genů různého původu na lidském chromosomu Y se liší početností a funkcí. Zatímco geny transponované z X jsou jen 2 a genů pozůstalých z bývalé homologie je 16, nejvíce je genů v palindromech, kterých je 60. Celkový počet genů na lidském chromosomu Y je tedy 78, přičemž geny pozůstalé nebo transponované z X mají různou funkci, mají homology na X a jsou často exprimované v různých tkáních, geny lokalizované v palindromech jsou exprimované výhradně v testes a často jinde v genomu nemají homologický gen. Skaletsky et al. 2003 Dva způsoby rekombinace na chromozomu Y 1. X-Y crossing-over v PAR oblasti 2. Y-Y genová konverze v palindromech (amplikonech) Yp Asexuální degenerace (Asexual decay) Y chromosomu ___ Genes Y Y Stálá selekce Genes benefical to males ___ Y Y Genes benefical to males ___ Hemizygotní expozice genů X X Pohlavní antagonismus Genes benefical to females but harmful to males Genes benefical to males but harmful to females ___ ___ X Y X Y The presence of genes on the X chromosome that get expressed in the brain may allow more rapid selection for favorable genetic variations which enhance cognitive function Akumulace „mozkově-specifických“ genů Na X chromosomu Consequences for father-son relation •Inteligence of male offsprings is not influenced by genotype of a father • • • • • • •In case of exception remember: • "Mother’s baby. Father’s maybe." • Human X chromosome and cancer genes •Human X chromosome is almost depleted of cancer genes due to selection Budoucnost lidských pohlavních chromozomů Geny z chromozomu Y postupně mizí díky degenerativním procesům Původně bylo na Y chromozomu 1500 genů, ale během evoluce dlouhé cca. 300 milionů let zbylo posledních několik desítek Pokud budou pokračovat degenerativní procesy stejnou rychlostí, lidský chromozom Y zmizí za 10 mil. let sex_chromosome_real The day after Y chromosome disappears SRY has been lost in some rare rodents and replaced by a new sex determining gene So as the human Y runs out of options, new sex determining genes may evolve, leading to evolution of different hominid species. Ellobius lutescens – mole vole Přestože chromosomální určení u drozofily je XX/XY, přítomnost chromosomu Y s určením pohlaví nijak nesouvisí a je důležitá až pro plodnost samečka. Primárním signálem determinujícím pohlaví u drozofily je tedy poměr chromosomů X a autosomálních sad. Chromosom X nese několik genů pro transkripční faktory (runt, sisA, sisB, sisC), jejichž dvojitá dávka zajistí sestřih genu Sxl (Sex lethal) ve funkční formu (u samců mRNA obsahuje stop kodón, takže vzniklý protein je nefunkční). Sxl je splicing factor, jehož protein řídí sestřižení mRNA genu transformer (tra). Za přítomnosti proteinu Sxl (tedy u samic) je tra sestřižen na funkční protein, který řídí sestřih mRNA genu doublesex (dsx). Ten aktivuje geny řídící vývoj samice. Pokud Sxl není přítomen, mRNA tra, která v jednom exonu obsahuje stop kodón, dá vznik nefunkčnímu proteinu. Vznikne samčí varianta proteinu dsx, která aktivuje geny pro samčí vývoj. Obrázek z Cline & Meyer, 1996 Po objevu Sxl, klíčového genu určujícího pohlaví u D. melanogaster, bylo dalším logickým krokem jeho hledání u dalších druhů s cílem určit, do jaké míry má tento gen univerzální funkci. V práci Traut et al. 2006 byl publikován přehled druhů a skupin, u kterých byl hledán gen Sxl, a červeně jsou zvýrazněny druhy, u kterých byl nalezen přítomen. Nejen v tomto případě se ukázalo, že „upstream“ geny, čili geny stojící na počátku dráhy určující pohlaví, se během evoluce poměrně často mění, na rozdíl od „downstream“ genů, které mají podobnou funkci u velkých taxonů (viz Dsx). A) Samčí heterogamie – samcem je jedinec s chromosomy X a Y, samice XX; B) Samičí heterogamie, samicí je jedinec s chromosomy Z a W, samec je ZZ; C) Mus minutoides – příklad určení pohlaví alelami v jednom lokusu na pohlavních chromosomech X, Y a W (= X*). Gen na chromosomu Y určuje vývoj jedince v samce. Jeho efekt ale může být potlačen novým genem/alelou na chromosomu W (=X*). V tomto systému vznikají samci pouze z kombinace XY, samice vznikají kombinacemi XX, XW a WY. D) Cichlida Metriaclima pyrsonotus je zástupcem systému determinace pohlaví s více lokusy. Alely určující pohlaví jsou umístěny na chromosomech XY a ZW a segregují nezávisle. Alela W překoná alelu určující samce z chromosomu Y, takže jedinci ZW,XY jsou samice. Samci vznikají jen v případě ZZ,XY, ostatní tři kombinace jsou samice. Na chromosomu W je ve vazbě s genem určujícím pohlaví i alela způsobující kryptické zbarvení samic, která by u samců způsobila chybné zbarvení a tím menší šanci v hledání partnerky, její vazba z faktorem určujícím vývoj v samici je tedy výhodné. Výsledkem těchto polygenních systémů jsou různé výsledky křížení, protože samice mohou mít různé kombinace chromosomů. Moore a Roberts 2013 Kompenzace genové dávky (KGD) je vyrovnání exprese genů na chromosomech X nebo Z, takže poměr produktů autosomálních a X/Z genů je stejný u obou pohlaví. KGD byla nejprve objevena u drozofily, háďátka a placentálních savců (myš, člověk), tedy skupin, jejichž pohlavní chromosomy vznikly nezávisle, takže bylo rozumné předpokládat, že i KGD vnikla nezávisle. To je podpořeno i tím, že jejich KGD je založena na různých principech. Poté, co se KGD našla ve 3 ze 3 případů a u nepříbuzných skupin, považovala se za nezbytnou součást evoluce pohlavních chromosomů. Avšak nezávislé výzkumy u kura a zebřičky (zebra finch) ukázaly, že u ptáků chromosom Z u samce není kompenzovaný globálně, kompenzace se týká jen malé skupiny genů a většina genů na Z prostě kompenzovaná není a samec má 2x víc jejich produktů než samice. Zpočátku se hledaly důvody, proč jsou ptáci výjimeční tím, že nemají KGD, ale pak přišla data z motýlů (bource morušového), kde geny na Z rovněž nejsou kompenzované globálně, ale jen některé lokálně a většina vůbec. Je možné, že způsob KGD (celý chromosom vs. jednotlivé geny) nějak souvisí s chromosomálním typem určení pohlaví (XY – celý chromosom, ZW – lokálně/vůbec), ale neví se jak, navíc máme data jen z pěti skupin, takže nelze zobecňovat. (Mank 2009) Mechanizmy KGD U samic placentálních savců a vačnatců je KGD zajištěna inaktivací jednoho chromosomu X, ke kterému dochází v rané fázi embryonálního vývoje. Zatímco u vačnatců je inaktivováno vždy paternální X, u placentálů jsou paternální a maternální X inaktivovány náhodně. Potomci dané buňky mají inaktivované vždy stejné X, takže samice placentálů mají tělo složené z populací buněk, které mají inaktivované buď maternální nebo paternální X, což může mít dopad na fenotyp. Slavným příkladem tohoto jevu je želvovinové zbarvení u koček (ne kocourů), které je výsledkem inaktivace různých X nesoucích jiné alely pro zbarvení chlupů. Proces inaktivace X savců se nazývá lyonizace podle jeho objevitelky Mary Lyon, inaktivované X, které má podobu čočkovitého heterochromatinového útvaru u jaderné membrány, se nazývá Barrovo tělísko podle objevitele Murraye Barra. Platí pravidlo, že pokud má buňka dvě a více chromosomů X, každé kromě jednoho je inaktivované. Proto mají muži s Klinefelterovým syndromem (XXY) jedno Barrovo tělísko, zatímco ženy s Turnerovým syndromem (X0) žádné. Na počátku embryonálního vývoje před nástupem vlastní inaktivace musí buňka zjistit, jaký je její poměr A:X, pokud 1, je potřeba zvolit, který chromosom bude inaktivován. Počítání i inaktivace je řízena oblastí Xic (X-inactivation centre), které obsahuje řadu regulačních elementů včetně Xist. Jakmile je rozhodnuto o tom, který X bude inaktivován, začne se na tomto chromosomu transkribovat dlouhá nekódující Xist RNA, která se rozprostře po celém chromosomu a umlčí ho. Pokud je Xist přenesen na autosom, provede jeho umlčení, ale to je méně efektivní. Xist tedy nepotřebuje žádné sekvence, které by byly jen na X. Ukazuje se, že cílovými sekvencemi Xist jsou mobilní elementy LINEs, které se na X vyskytují hojněji než na autosomech. Pokusy s buňkami s tranlokací t(X;4) ukázaly, že inaktivace se zastavuje na hranicích X a 4 a koreluje s prudkým poklesem koncentrace LINEs. Rozprostření Xist RNA je následováno odloučením RNA polymerázy II od chromosomu, ztrátou euchromatinových epigenetických značek, provedením represivních epigenetických modifikací (metylace H3, hypoacetylace H4 a metylace DNA). Inaktivované X vytvoří Barrovo tělísko poblíž jaderné membrány, replikuje se později než zbytek genomu a až na několik segmentů není exprimováno. Jak vzniká kompenzace dávky genů na neo-X drosofily? Neo-X chromozom u Drosophila miranda starý 1,5 milionu let právě prochází evolucí kompenzace dávky genů. 1)Helitron ISX nese funkční ale neoptimální motiv, který je rozpoznáván MSL. 2)Helitron ISX (mobilní element) se včleňuje na různá místa chromozomu neo-X. 3)V jednom z inzertovaných ISX došlo k výhodné mutaci – vznikl optimální motiv pro vazbu MSL. 4)Nealelická genová konverze nyní homogenizuje jednotlivé inzerce ISX a přenáší tak výhodnou mutaci na další ISX včleněné do neo-X. 5)Selekce upřednostňuje jedince s co největším počtem těchto výhodných mutací. 6) MSL = male specific lethal complex. Rozpoznává GC bohatý motiv na X a řídí zdvojnásobení transkripce X genů u samců. Haplodiploidie vznikla u hmyzu nejméně 10x, což přináší otázku, v čem je tento systém výhodný. Teorie praví, že haplodiploidie mohla vzniknout koevolucí endosymbiontů, kteří zabíjeli samce hostitelského druhu, a jejich hostitele. Podle této hypotézy endosymbionti zabíjeli samce tak, že zničily otcovskou sadu chromosomů, čímž vnikl neživotaschopný jedinec. Toto vedlo k selekčnímu tlaku na vznik genu, který by umožnil přežívání haploidních samců. Blanokřídlý hmyz a některé další skupiny (nejen) hmyzu určují pohlaví tzv. haplodiploidním systémem. Ten spočívá v tom, že z oplozených vajíček se líhnou samice, z neoplozených samci. U včely je samičí pohlaví determinováno jediným lokusem csd (complementary sex determiner) lokalizovaným na autosomu (pohlavní chromosomy v tomto systému nejsou), pro který existuje 19 různých alel. Pokud má jedinec dvě různé alely (tj. jedinec je pro csd lokus heterozygotní), bude z něj samice, pokud má jen jednu alelu, bude z něj samec. Z oplozených vajíček tak s vysokou pravděpodobností budou samice, protože při 19 alelách existuje 171 kombinací heterodimerů, z neoplozených vajíček budou vznikat samci, protože tam může být z definice jen jedna alela, z jejíchž produktů bude vznikat nefunkční homodimer. Může se stát, že je královna oplozena samcem, který nese alelu shodnou s jednou z těch, které nese ona sama (vysoká pravděpodobnost při příbuzenském křížení). Pak bude polovina diploidního potomstva vzniklého z tohoto spojení nést na obou chromosomech stejnou alelu a budou z nich vznikat diploidní samci. Ti jsou u včel dělnicemi vyhledáváni a zabiti ještě ve stádiu larvy. Molekulární mechanismus fungování csd je znám, je to gen, který vznikl duplikací genu tra a jeho heterodimer řídí sestřih ortologu včelího tra na funkční variantu, která sestřihne dsx na samičí variantu. Homodimer u samců není funkční, takže produkt tra není funkční a dsx je sestřižen na samčí variantu. Gen csd je přítomen pouze u rodu Apis. Beye et al. 2003 Přestože gen csd je přítomen pouze u včely, stejný mechanismus komplementárních alel jednoho lokusu využívá řada druhů blanokřídlého hmyzu, i když konkrétní gen neznáme. Nicméně existují i druhy, u nichž je haplodiploidie řízena jinak než komplementárními alelami. Příkladem je další modelový druh blanokřídlých, kovověnka Nasonia vitripennis. Stejně jako všechen blanokřídlý hmyz má i kovověnka Nasonia vitripennis určení pohlaví pomocí haplodiploidie, kdy samice vznikají z oplozených vajíček a samci z neoplozených. Narozdíl od včely, kde je pohlaví určeno mnoha alelami lokusu csd a při inbreedingu mohou vznikat diploidní samci, u kovověnky platí, že oplozená vajíčka i inbredních linií se vždy vyvinou v samice, neoplozená v samce. Princip určení pohlaví tedy musí být jiný než pomocí csd lokusu. Studiem triploidních linií kovověnky se potvrdilo, že klíčová pro určení pohlaví je přítomnost/absence paternálního genomu, ne stupeň ploidie. Triploidní samice produkovaly haplo- i diploidní vajíčka, pro která platilo, že jsou-li oplozena, vylíhnou se samice, pokud ne, vzniknou samci. Principem určení pohlaví kovověnky je maternální imprinting genu původně označeného zsd (zygotic sex determiner), který inaktivuje kopii ve vajíčku. Funkční kopie zsd tak může přijít jedině ze spermie, protože u samců maternální imprinting pochopitelně neprobíhá. Ta následně řídí vývoj jedince v samici, zatímco z neoplozených vajíček, která obsahují jen nefunkční kopii zsd, vzniknou samci. Studiem genů tra a dsx, které se u hmyzu účastní determinace pohlaví, se podařilo doplnit do dráhy určující pohlaví u kovověnky konkrétní hráče. Matka do vajíček umísťuje maternální mRNA nebo protein genu tra, který řídí sestřih zygotického genu tra do aktivní formy, která řídí sestřih genu dsx do samičí varianty. Zároveň imprintingem inaktivuje gen tra ve vajíčku. Maternální tra tedy funguje jen na neimprintovanou – paternální alelu zygotického tra. Samice tak mohou vznikat jen z oplozených vajíček, kde je přítomen i paternální genom. V neoplozených vajíčkách je přítomna jen imprintovaná maternální alela tra, která je exprimována do podoby zkrácených nefunkčních proteinů, a mRNA dsx je tak sestřižena do samčí podoby. (Beukeboom a Van de Zande 2010) Na GSD (genetic sex determination) a ESD (environmental sex determination) se dříve pohlíželo jako na dvě možnosti, jak lze určovat pohlaví jedince. Podle současných znalostí je jasné, že se jedná spíše o kontinuum, kde GSD a ESD představují extrémní stavy, mezi kterými existuje řada přechodů. Toto kontinuum je dobře patrné třeba u některých plazů, které mají pohlavní chromosomy, ale jejich pohlaví je ovlivněno i teplotou. Příkladem je agama Pogona vitticeps, která má chromosomy ZZ/ZW, jejich vliv ale může být překonán vyššími teplotami, kdy vzniknou samice i při nepřítomnosti W. Příkladem kombinace GSD a ESD najdeme i u ryb, např. některé cichlidy při určení pohlaví kombinují genetické, environmentální a demografické stimuly. To může být buď dočasný stav přechodu mezi dvěma strategiemi, nebo dlouhodobý stav, kdy daný druh profituje z kombinace stimulů. Princip molekulární podstaty TSD není znám, ale s vysokou pravděpodobností v něm hraje klíčovou roli regulace genu pro cytochrom P450 aromatázu (Cyp19), což je enzym zodpovědný za syntézu 17β-estradiolu (E2), který je kritický pro determinaci pohlaví a jeho exprese je ovlivnitelná vnějšími faktory. Je několik teorií jak TSD může být řízeno na molekulární úrovni: 1) Teplotně sensitivní mutace v genu Cyp19 nebo u dalších genů v dráze syntetizující estrogen. Gen Cyp19 má v promotoru vazebná místa řady faktorů, které mohou být rovněž teplotně sensitivní. Např. u platýze Paralichthys olivaceus byla pozorována různá exprese za různých teplot u genu foxl2, který reguluje expresi Cyp19 (nízká teplota = vysoká exprese = samice x u samce naopak). 2) Další možností je epigenetická regulace, což bylo nalezeno u morčáka evropského Dicentrarchus labrax, kde vysoká teplota zvyšuje metylaci Cyp19, což vede ke snížení její exprese a vývoji v samce. Pohlavní chromosomy byly pozorovány u cca 10% zkoumaných ryb, což ovšem nezahrnuje nové, ještě nedostatečně diferencované pohlavní chromosomy. Odhadem může mít pohlavní chromosomy v různém stádiu evoluce až 50% ryb. Velice variabilní determinaci pohlaví mají živorodky (Poecilidae), které jsou i z tohoto hlediska intenzivně zkoumány. Slavný je druh platy skvrnité (Xiphophorus maculatus), kde existují oba systémy a dokonce v některých populacích koexistují. V těchto populacích se vyskytují zároveň chromosomy W, X a Y, přičemž samice jsou XX, XW a WW (WW samice vytvořeny experimentálně, v přírodě nenalezeny), samci jsou XY, YY. Z této populace mohou být snadno izolovány linie XX, XY s heterogametickými samci i linie WY, YY (Y=Z) s heterogametickými samicemi. Chromosomy X a Y jsou velmi podobné až na relativně malou oblast s genem určujícím pohlaví. Určení pohlaví u ryb je velice variabilní, jsou známy oba typy chromosomálního určení pohlaví a to i tak, že oba systémy koexistují v jednom druhu (Xiphophorus maculatus), dále mnohočetnými lokusy na autosomech, nebo vlivem vnějšího prostředí, kdy pohlaví jedince může být dáno např. teplotou, pH vody, nebo sociálně. Mnoho druhů ryb navíc oddaluje určení pohlaví do dospělosti, což umožní lépe reagovat na konkrétní podmínky, které mohou být výhodné pro jedno pohlaví a tím zvýšit svojí reprodukční úspěšnost. Např. u některých druhů existuje tzv. sekvenční hermafroditismus, kdy jeden jedinec může být během života samcem i samicí v závislosti na tom, kterým pohlavím je momentálně výhodnější být (u harémových druhů je lepší být na počátku života samicí, protože mladý sameček nedokáže harém získat a uhájit, ale malá samička může mít potomstvo, po dosažení určité velikosti se změní na samce, který je schopen obhájit teritorium a mít harém a tím zvýšit množství potomstva). A konečně některé druhy ryb jsou schopné množit se klonálně, kdy je celá populace složená jen ze samic, které využívají spermie příbuzného druhu, jejichž DNA se však nedostane do další generace (gynogeneze, hybridogeneze). Wolbachia! Pohlaví nositele může být ovlivněno endosymbiotickou bakterií (endosymbióza sensu lato – parazitismus + mutualismus), která žije obligátně uvnitř buňky hostitele. Bakterie je přenášena vertikálně jen v cytoplazmě, tedy ve vajíčkách a ne ve spermiích, změna pohlaví hostitele tedy může být pro bakterii výhodná a každá změna, která povede k vychýlení pohlaví žádoucím směrem bude pozitivně selektovaná. Takové bakterie, známé jako reprodukční paraziti, byly nalezeny u > 30% členovců. Nejběžnější je Wolbachia, která zároveň jediná ze známých druhů ovládá všechny 4 typy manipulace: 1) cytoplazmatickou inkompatibitu (nekompatibilita spermie a vajíčka, která vede k post-zygotické sterilitě mezi infikovaným samcem a neinfikovanou samičkou, 2) zabíjení samců (vychýlení pohlaví k samicím cíleným zabíjením samčích potomků), 3) feminizace genetických samců, 4) indukce partenogeneze (vychýlení pohlaví indukcí asexuální produkce dcer). Cordaux et al. 2011