Determinace a vývoj pohlavnosti
Úlohy pohlavnosti v životě eukaryot :
- diferenciace zárodečné dráhy a příslušných gamet
(včetně tvorby pohlavních orgánů)
- pohlavně specifický vývin somatických buněk
(pohlavní dimorfismus)
- řízení transkripčních hladin chromosomů X
(umlčování či zesilování exprese vázaných genů)
- metylační nastavení gametického imprintingu záznamu
o expresi genů v příští filiální generaci
- meioza a kombinace gamet zajišťují evolučně výhodnou
heterozygotnost a variabilitu
Caenorhabditis elegans : vznik a dědičnost pohlaví
systém X : A
XX
XX XO
XX XO
2X:2A=1 1X:2A=0,5
primární stabilní genetické „přenašeče“ sexuálního efektory
signál přepnutí stavu pohlavního fenotypu
Determinační dráhy somatické pohlavnosti u C-elegans
chromosomy X0-lethal
negativní faktor
inhibice
XX koncentrace: nízká vysoká ….. vysoká
XO koncentrace: vysoká nízká ….. nízká
sdc-1
inhibice inhibice
sdc-2
sdc-3
herma-
frodit
same-
ček
( her-1,
tra-2,3,
fem-1,2,3 )
tra-1
samičí
prvojádro
samčí
prvojádro
(základová) (zárodečná)
prvojádra buňka AB buňka P1
granule P rýhovací záhyb
Po fertilizaci oocytu C-elegans se granule P akumulují přednostně u
posteriorního pólu, v dceřinných blastomerách výhradně v linii
buněk P zárodečné dráhy
Po fertilizaci oocytu C-elegans se granule P akumulují v posterioru,
v dceřinných blastomerách výhradně v linii buněk P zárodečné dráhy
granule P a protein pie-1
somatické
buňky
somatické
buňky
somatické
buňky
somatické
buňky
somatické
buňky zárodečné buňky
XX Double sex female XY Double sex male
Determinace pohlavnosti u drosofily posttranskripční úpravou(sex-specifický sestřih)
RNA RNA
samička sameček
promotor genu
„založení“ Sex-lethal
promotor genu
„udržení“ Sex-lethal
časný protein
Slx
pozdní
protein
Slx
funkční
sestřih
časný protein
Slx nevzniká
nefunkční
sestřih
pozdní protein Slx
nevzniká
Drosofila nemá pohlavní hormony: bilaterální gyandromorfie
samčí XO část:
bílé oko,
miniaturní křídlo
samičí XX část:
heterozygotní
pro oba markery
(ztráta jednoho chromosomu X-wt při prvním mitotickém dělení)
Pohlavní funkce
• Hermafrodité
• běžné hlavně u rostlin
• Separátní individua (gonochoristé)
• běžné u obratlovců
• “dioecie” četná hlavně u tropických stromů
• separátní květy (všechny možné kombinace)
• když náklady nejsou velké a kompetice je silná, je
favorizována separace
EPIGENETICKÁ DETERMINACE POHLAVÍ
Sciara coprophilia, moucha smutnice XX/XO
(specifická eliminace paternálního X, Metz 1938)
samičí gamety + samčí gamety
Am Xm Ap Xp Xp
všechny Am Ap Xm Xp Xp
zygoty
samičky (X / A) samečci
somatické buňky Am Ap Xm Xp Am Ap Xm
zárodečné buňky Am Ap Xm Xp Am Ap Xm Xp
(zde nastane nondisjunkce
X chromozomů!)
Nettie Maria Stevens
(1861-1912)
Studies in spermatogenesis, with especial
reference to the accessory chromosome…
OBJEV POHLAVNÍCH CHROMOSOMŮ (
1905 )
Tenebrio molitor
( F = AAXX, M = AAXY )
potemník moučný, Coleoptera
Co to jsou pohlavní chromosomy ?
… nesou vždy sex determinující geny, i když dráhy
vedoucí k dioecii jsou odlišné
… morfologicky odlišné chromosomy mezi pohlavími
… dva základní systémy – XX/XY (homogametní
samičky) a ZZ/ZW (homogametní samečci)
… rekombinace částečně potlačena v meióze
u heterogametního pohlaví
… zjištěny u většiny živočišných a některých
rostlinných druhů s genetickou determinací pohlaví
Evoluční původ sex chromosomů
Vyvinuly se z normálního párů autosomů …
… evoluce provázena progresivní redukcí rekombinace mezi X a Y
chromosomem.
X
Y
Stádia evoluce chromosomu Y
výskyt mutace genu samčí fertility/promotion
akumulace male-prospěšných a female-nevýhodných
genů v těsné vazbě na Y
částečná ztráta rekombinace mezi X a Y
evoluce kompenzace dávky genů vázaných na chromosom X
postupná degenerace Y-chromosomových sekvencí
ztráta chromosomu Y, může jej nahradit jiný chromosom
alespoň jeden X je nezbytný k somatickému vývoji
Evoluce pohlavních chromosomů
Silene
latifolia
savci Rumexhmyz
sex
determinující
alela
potlačení
rekombinace
degenerace
Y
ztráta Y
U většiny druhů (vejcorodých) plazů je pohlaví
určováno teplotou: Temperature Sex Determination
krokodýli
aligátoři a ještěrky
želvy
hadi (GSD)
teplota ( oC )
Viviparní samičky scinka Eulamprus tympanum
regulují pohlavnost svých embryí: TSD
(K. A. Robert & M. B. Thompson 2001)
Bonellia viridis
environmentální determinace pohlaví
Pohlavní determinace u ptáků
 homogametní pohlaví – samčí ZZ, heterogametní – samičí ZW
 samičí chromozóm W obvykle rozsáhle degenerován
 někteří ptáci pohlavní chromosomy vůbec nemají (ratites) ?
 je pohlaví determinováno dominantním W ( savci)
nebo poměrem Z/A ( drosofila) ?
 existuje kompenzace dávky Z-vázaných genů ?
 některé Z-geny kompenzovány nejsou,
exprese jiných Z-genů je pohlavně ekvalizována
 na chromosomu Z lokalizována oblast tandemových repeticí
(>200 kopií 2,2-kb sekvence) s vysokým stupněm metylace
CpG na obou chromozómech v embryích samečků
(MHM=male hypermethylated region)
 hypotetický W-faktor brání metylaci MHM-oblasti u samiček
za vzniku abundantní netranslatované RNA
 jde o mechanismus kompenzace dávky genů ( Xist u savců)
nebo determinace pohlavnosti ?
Ptakopysk má diploidní počet
chromozomů 52, z toho
11 párů autozomů
Samička: 2n = 42 + 10X
Sameček: 2n = 42 + 5X + 5Y
Pohlaví u savců na úrovni embrya
• samečci a samičky jsou po dobu prvních 6 týdnů identičtí
• embryonálními gonádami jsou ovotestes
• chromosom Y indukuje vývin ovotestes v testes a tvorbu samčích
hormonů
• absence chromozomu Y ovlivní vývin ovotestes ve vaječníky a tvorbu
samičích hormonů
zapnut
SRY gen
výstelkové buňky testes
intersticiální buňky
testes
anti-Mullerův hormon
inhibuje Mullerův
vývod (zabránění tvorby
samičích orgánů)
cholesterol
testosteron
stimuluje
Wolffův vývod
ke tvorbě
samčích orgánů
Chromosom Y
člověka
druhá pseudoautosomální
oblast (PAR) ?
locus SRY (kóduje
testis determining factor)
centromera
p
q
pseudoautosomální
oblast (PAR)
heterochromatinnerekombinující
oblast Y
X-homologní geny
testis-specifické geny
David Page (MIT),
Bruce Lahn (Chicago) 1997
EVOLUCE POHLAVNÍCH CHROMOSOMŮ
savci Drosophila Caenorhabditis
samička sameček samička sameček hermafrodit sameček
poměr chromosomů X
inaktivace vzrůst transkripce pokles
jednoho X jediného X transkripce X
transkripty
poměr transkriptů X
Odlišné mechanismy kompenzace dávky genů
nesených chromosomem X
Murray Barr Susumo Ohno Mary Lyon X-vázaný gen barvy srsti
( 1949 ) ( 1960 ) ( 1961 )
(Ne) náhodná fakultativní heterochromatinizace jednoho X
Kompenzace dávky X-vázaných genů :
imprinting a epigenetické umlčování
( úloha Xist-RNA, metylace DNA, acetylace a
metylace histonů, chromo-proteiny Polycomb )
… vždy aktivnívždy inaktivní
Inaktivovaný chromosom X je histon H3 a H4
hypoacetylován a hypermetylován
Bryan Turner David Allis
( Birmingham 1993 ) ( Rochester 2001 )
MECHANISMUS INAKTIVACE SAVČÍHO CHROMOSOMU X
EVOLUCE MECHANISMŮ KOMPENZACE
DÁVKY X - VÁZANÝCH GENŮ
(Matthew Wakefield, Melbourne 1997)
CHROMOSOM X
může být inaktivní, fragilní, chytrý i sexy
a především je „epigenetický“
q27.3
Dědičnost mutací vázaná na chromosom X
přenašečka
postižený
polovina synů je postižených, všichni synové jsou normální,
polovina dcer jsou přenašečky všechny dcery jsou přenašečky
- normální X má 6-60 tripletů CGG v 5'UTR genu FMR1 :
(CGG)10AGG(CGG)9AGG(CGG)9
- muži-přenašeči nesou premutaci mezi 60 and 200 kopiemi
- M-B pacienti mají přes 200 kopií repetice
ZVLÁŠTNÍ ROLE X VE VÝVOJI SAVCŮ
c přítomen v jedné či dvou kopiích (XY, XX),
parciální mozaiková inaktivace u samiček
c dědí se křížem : dcery získávají X od obou rodičů,
zatímco synové výhradně od matky
c homologie X/Y malá, Y nese jen několik funkčních „X“ genů
c evoluce X : nese výrazně více genů ovlivňujících inteligenci,
sociální chování a reprodukční schopnosti
c u mužů vyšší výskyt
poruch psychiky
a sociálního chování :
příčinou je
„hemizygotní X“ či
„maternálně imprintovaný X“
c holandrická dědičnost: otec syn
c haploidní (geny dominantní)
c 33 znaků vázaných na Y, dosud 7 genů zmapovaných
c SRY translokace/mutace vedou k sex-reverzi či intersexům
c SRY není klíčovým genem: je „mladší“ než Y,
u některých hlodavců zmizel
c další Y-testis-determining faktory (funkční koherence)
c jen několik house-keeping genů, vesměs analogy X-chromosom
vázaných genů
c Y je po ztrátě rekombinace s X evolučně-geneticky ruinován asi 300
milionů let (teorie čtyř inverzí)
c finálním krokem evoluce bude zřejmě jeho zánik (5-10 MY) a
translokace SRY na autosom (či zkáza Homo sapiens)
ZKÁZA CHROMOSOMU Y
Rostliny nejsou vždy bisexuální
EVOLUCE
DVOUDOMOSTI
U ROSTLIN
Pohlavní chromozomy rostlin
tykvice papája silenka šťovík
Proč studovat rostlinné pohlavní chromozomy ?
• Jsou evolučně mladé
…mohou nám objasnit časná stádia evoluce a
degenerace sex chromosomů
• Vyvinuly se mnohokrát nezávisle u
krytosemenných rostlin
… můžeme zjistit, které rysy jsou v evoluci pohlavních
chromosomů obecné
model
rostlinného
sexu :
silenky
female
male
květní meristém
+Y
Sex determinace u silenky
-YXX
XY
hermaphrodite
Aberace odhalují základní funkční mapu chromosomu Y
male
p
q
asexualmale sterile
male
fertility
male
activation
female
inhibition
Y
PAR
RUMEX: SAMČÍ CHROMOZOMY Y JSOU
KONSTITUTIVNĚ HETEROCHROMATICKÉ
Papája melounová (Carica papaja)
dvoudomý model s primitivním Y 2n=16+X,Y;
C=0,37 pg