Determinace pohlaví a evoluce pohlavních chromosomů Radka Reifová Katedra zoologie
Prezentaci naleznete na: http://web.natur.cuni.cz/~radkas/ v záložce Courses
Jak vznikají dvě pohlaví
Mechanismy determinace pohlaví Environmentálně určené pohlaví Teplotně určené pohlaví Sociálně určené pohlaví Geneticky určené pohlaví Genové určení pohlaví Chromosomové určení pohlaví Haplodiploidní určení pohlaví
TEPLOTNĚ URČENÉ POHLAVÍ u některých plazů a ryb Teplota Teplota Pohlaví Pohlaví kareta obrovská klapavka
SOCIÁLNĚ URČENÉ POHLAVÍ Určení pohlaví u Bonellia viridis Samice žije přichycena na mořském dně. Samec miniaturní (jeho tělo sestává v podstatě jen z reprodukčních orgánů), žije přichycen na těle samice či uvnitř těla samice. Larvy planktonní. Pokud larva nalezne příhodné místo na přichycení se na mořském dně, stane se z ní samice. Pokud narazí na samici, je ovlivněna látkami, které samice produkuje (bonellin) a stane se z ní samec. samice (15 cm) samec (1-3 mm) Bonellia viridis (čeleď rypohlavci)
SOCIÁLNĚ URČENÉ POHLAVÍ Sekvenční hermafroditi Např. u některých korýšů, měkkýšů, ryb Protandrie: samec Protogynie: samice samice samec Lysmata wurdemanni Clown fish Blue headed wrasse Pravidlo: Jedinci mění pohlaví, když dosáhnou 72% maximální velikosti těla.
CHROMOSOMOVÉ URČENÍ POHLAVÍ Systém XX/XY XX homogametické pohlaví XY heterogametické pohlaví Systém ZZ/ZW ZZ homogametické pohlaví ZW heterogametické pohlaví savci XY ryby XY, ZW ptáci ZW korýši XY, ZW plazi XY, ZW hmyz XY ZW obojživelníci XY, ZW rostliny XY, ZW
Molekulární mechanismy určení pohlaví Drosofila Důležitý poměr počtu X chromosomů k autosomům Genotyp poměr X:A fenotyp 1X 2A 0,5 samec 2X 2A 1,0 samice 3X 4A 0,75 intersex 2X 3A 0,67 intersex Mechanismus založený na kompetici mezi proteiny numerators kódovanými na chromosomu X proteiny denumerators kódovanými na autosomech. Numerators se vážou do regulační oblasti genu Sxl a aktivují ho. Tím spouští vývoj samičího fenotypu.
Molekulární mechanismy určení pohlaví Caenorhabditis elegans XX hermafroditi X0 samci Také důležitý poměr chromosomů X a autosomů. Samci v přírodě velmi vzácní. Vznikají při poruše meiotického dělení u hermafroditů.
Molekulární mechanismy určení pohlaví gynandromorph Determinace pohlaví u bezobratlých se většinou odehrává na úrovni jednotlivých buněk. Jedinec tvořený mozaikou buněk se samčím a samičím genotypem = gynandromorph XX X0 samec samice
Gynandromorphové nedávno popsány u ptáků. U ptáků je tedy pohlaví z velké míry určeno také na úrovni jednotlivých buněk. Zhao et al. 2010, Nature
Molekulární mechanismy určení pohlaví Savci O pohlaví rozhoduje gen Sry na chromosomu Y Jeho aktivita vede k diferenciaci varlat z embryonálních gonád. Varlata produkují testosteron, který vede ke vzniku sekundárních pohlavních znaků.
Poruchy určení pohlaví u lidí Syndrom testikulární feminizace Absence receptoru pro testosteron (mutace tfm) způsobuje vznik samičího fenotypu, i když má jedinec varlata a produkuje testosteron.
Poruchy určení pohlaví u lidí Hermafroditismus = Intersex Způsoben hormonálními poruchami
Poruchy určení pohlaví u lidí Turnerův syndrom (45, X0) 1 z 2500 žen nefunkční vaječníky, neplodné nízká postava, nízce posazené uši, zvýšená predispozice k určitým chorobám kognitivní poruchy zhoršená paměť, matematické schopnosti a prostorová orientace (horší když chybí chromosom X od otce než od matky!)
Klinefelterův syndrom (47, XXY) 1 z 500 mužů narušený vývoj varlat a porucha plodnosti zženštělý vzhled způsobený nízkou hladinou testosteronu. poruchy učení a řeči
Supermuž (47, XYY) 1 z 1000 mužů. Větší postava. Mohou být temperamentnější, poruchy učení. Dříve se tvrdilo, že agresivnější, ale není pravda. Většinou plodní. Obvykle se ani nerozezná. Superžena (47, XXX) 1 z 1000 žen. Navenek se většinou nerozená. Jen vzácně ženy trpí určitými poruchami jako jsou poruchy chováníči neplodnost. Obvykle se ani nerozezná.
Molekulární mechanismy určení pohlaví Medaka japonská (Oryzias latipes) Genem určujícím pohlaví je gen DMY (dmrt1by) ležící na chromosomu Y. Podobně jako Sry spouští u medaky vývoj varlat. Mutace v tomto genu vedou ke vzniku XY samic. Naopak, exprese DMY u XX embryí vede ke vzniku samců.
Molekulární mechanismy určení pohlaví Ptáci Důležitou roli při určení pohlaví hraje gen Dmrt1 na chromosomu Z. Je paralogem genu DMY, který určuje pohlaví u medaky. Hraje také důležitou roli při vývoji varlat. U samců (ZZ) je exprese Dmrt1 vyšší než u samic (ZW). Při určení pohlaví hraje pravděpodobně důležitou roli dávka genů na chromosomů Z, podobně jako u drozofilyči C. elegans. Snížení exprese Dmrt1 v samcích, vede k částečnému převrácení pohlaví a vývoji samičího fenotypu. Objev gynandromorphů u ptáků však ukazuje, že Dmrt1 nemůže být hlavním genem určujícím pohlaví. Jeho exprese je omezena pouze na urogenitální tkáň. Hraje sice důležitou roli při vývoji testes, ale neuplatňuje se při určení pohlaví na úrovni jednotlivých buněk.
Molekulární mechanismy určení pohlaví Drápatka vodní (Xenopus laevis) Genem určujícím pohlaví pravděpodobně DM-W ležící na chromosomu W. Exprese DM-W u pulců ZZ vede k vývoji vaječníků. Naopak mutace v DM-W u ZW pulců vedou k vývoji varlat. Hormony produkované vaječníky (estrogeny) a varlaty (testosteron) pak určují sekundární pohlavní znaky u dospělců.
Mechanismus určení pohlaví prostřednictvím genu DM-W DM-W je paralogem genu Dmrt1. Má DNA vazebnou DM doménu jako Dmrt1, chybí mu však transaktivační doména. DM-W i Dmrt1 jsou u drápatky exprimovány v gonádách. DM-W jen u samic. Pravděpodobně funguje jako kompetitor Dmrt1. Váže se na stejné regulační oblasti genů, ale geny neaktivuje. Blokuje tak vývoj varlat.
Ačkoli primární spouštěč určení pohlaví je u různých druhů různý, signální dráhy vedoucích v vývoji samčího a samičího fenotypu jsou často překvapivě konzervované.
MÉNĚ OBVYKLÉ SYSTÉMY CHROMOSOMOVÉHO URČENÍ POHLAVÍ Systém XX/X0 XX, X0 Došlo ke ztrátě chromosomu Y U savců vzácné. S chromosomem Y se ztratí i gen určující pohlaví, Sry. Známo jen u několika málo druhů hrabošů např. Ellobius lutescens. U hmyzu častější. Chromosom Y není třeba k určení pohlaví. Např. u mnoha cvrčků, kobylek a švábů, u některých druhů Drosophil.
MÉNĚ OBVYKLÉ SYSTÉMY CHROMOSOMOVÉHO URČENÍ POHLAVÍ Ptakopysk 10 pohlavních chromosomů (X1-X5 + Y1-Y5) Jeden z chromosomů homologní s ptačím chromosomem Z Pohlavní chromosomy během meiozy vytvářejí řetěz, jehož vznik umožňují krátké homologními úseky mezi jednotlivými chromosomy. 10 pohlavních chromosomů ptakopyska Barevně vyznačena homologie s chromosomy u kura domácího Veyrunes F et al. Genome Res. 2008;18:965-973
MÉNĚ OBVYKLÉ SYSTÉMY CHROMOSOMOVÉHO URČENÍ POHLAVÍ Feminizující X* chromosom XX X*X X*Y XY Samice X*Y mají potomky s genotypy: X*X, X*Y, XY, YY 1 : 1 : 1 : 1 neživotaschopní Lumík velký Vychýlení poměru pohlaví ve prospěch samic v populaci lumíků
Přechody mezi geneticky a environmentálně určeným pohlavím Chromosomový systém určení pohlaví (XX, XY). V chladném prostředí se ale líhne více samců. Samci se líhnou i z vajíček XX (teplotní revertanti). Scink, Bassiana duperreyi
FEMINIZUJÍCÍ ÚČINEK BAKTERIE Wolbachia Wolbachia je intracelulární parazit u členovců, především u hmyzu. Odhaduje se, že může napadnout více než polovinu všech druhů hmyzu. Napadá především gonády. Přenáší se pohlavně přes vajíčko, ne však přes spermii. V samcích se tedy ocitá ve slepé uličce. Wolbachia U různých hostitelů způsobuje různé fenotypy: usmrcení samců cytoplazmatická nekompatibilita; tj. infikovaní samci se nemůžou rozmnožit s neinfikovanými samicemi partenogeneze; tj. infikované samičky se rozmnožují bez samců feminizace samců U některých druhůčlenovců je určení pohlaví zcela závislé na Wolbachii.
HAPLODIPLOIDNÍ URČENÍ POHLAVÍ u blanokřídlého hmyzu (např. včely, vosy, mravenci) Samice diploidní. Líhnou se z oplozených vajíček. Samci haploidní. Líhnou se z neoplozených vajíček.
HAPLODIPLOIDNÍ URČENÍ POHLAVÍ Reprodukční systém mravence Wasmannia auropunctata samec královna Wasmannia auropunctata Samci a samice si vůbec nevyměňují geny! samec dělnice královna
PÁROVACÍ TYPY U KVASINEK Kvasinky mají dva párovací typy (a, α) Pohlavní rozmnožování je možné jen mezi haploidními buňkami odlišného párovacího typu. Buňky a produkují feromon, který rozeznávají jenom buňky α a naopak. Párovací typ určen přítomností alely a či α v lokusu MAT. Kromě MAT lokusu jsou v genomu kvasinky ještě zásobní lokusy HMR s alelou a HML s alelou α. Tyto lokusy se nepodílejí na určení pohlaví. Vnitrogenomovou rekombinací může dojít ke změně (switch) párovacího typu, tím že se alela z lokusu HMR či HML přesune do lokusu MAT.
Evoluce pohlavních chromosomů
Pohlavní chromozomy XY i ZW vznikly v evoluci mnohokrát přesto mají spoustu společných znaků: nepárový chromozom (Y,W) menší či chybí Y,W obsahují malé množství funkčních genů Y,W nesou spoustu nefunkčních pseudogenů, transpozonů, repetitivních sekvencí, z velkéčásti tvořeny heterochromatinem X Z Y W nenáhodný genový obsah XY i ZW prodělávají podobné epigenetické změny během gametogeneze u heterogametického pohlaví atd. Homologní část (pseudoautosomová oblast) Nehomologní část
Vznik a diferenciace pohlavních chromozomů 1. Vznik genu určujícího pohlaví na autosomálním páru. 2. Nahromadění sexuálně antagonistických genů kolem genu určujícího pohlaví 3. Potlačení rekombinace v okolí genu určujícího pohlaví. Např. prostřednictvím inverze. 4. Postupná divergence a degenerace nerekombinujícíčásti nepárového pohlavního chromozomu. autosom protox protoy protox protoy X Y X Y
Vznik lidských pohlavních chromozomů Vznik Sry První inverze Druhá inverze 2 3 2 Expanze pseudoautozomové oblasti a třetí inverze Čtvrtá inverze 4 Sry 3 2 Před 350 miliony let? Před 240-320 miliony let 1 Před 130-170 miliony let 1 Před 80-130 miliony let 1 Před 30-50 miliony let 1 Sry Pár autozomů X Y X Y X Y X Y X Y lidoopi opice vačnatci ptakořitní plazi
Degenerace nerekombinující části nepárového chromosomu Mullerova rohatka Nevratný proces hromadění škodlivých mutací bez přítomnosti rekombinace Probíhá v nerekombinujícíchčástech genomu a u asexuálních organismů v celém genomu J. H. Muller
Genové konverze na Y jako obrana před Mullerovou rohatkou? Většina genů na lidském chromosomu Y se vyskytuje v několika kopiích a velkou část chromosomu Y tvoří rozsáhlé palindromy nesoucí mnoho genů. Palindromy: kajak nepochopen báře jede jeřáb ACTGCTAGCAGT TGACTATCGTCA V palindromatických sekvencích dochází ke genové konverzi, tj. přepisu jedné sekvence podle druhé. Obdoba rekombinace. Může způsobit zpomalení hromadění škodlivých mutací. 5 3 3 5 5 3 3 5
Kompenzace dávky genů samice samci A A B B A A X X A A X Y Nerovnováha v množství genových produktů mezi pohlavími a mezi X a autosomy.
Kompenzace dávky genů u savců 1. Inaktivace jednoho chromosomu X u samic. 2. Zvýšení transkripce na aktivním chromosomu X u obou pohlaví. samice samci A A B B A A X X A A X Y
Inaktivace chromosomu X u samic savců Objevena v roce 1961 Mary Lyon. X inaktivace = lyonizace Inaktivovaný chromosom X tvoří heterochromatin nazývaný Barrovo tělísko. Inaktivaci spouští gen Xist (X-inactive specific transcript), který produkuje nekódující molekulu RNA, která obalí chromosom X a způsobí transkripční inaktivaci a heterochromatinizaci. Xist je exprimován jen z jednoho chromosomu X. Pokud se v buňce nacházejí více než dva chromosomy X (např. superžena ), dojde k inaktivaci všech, kromě jednoho chromosomu X. Inaktivace není kompletní. Některé geny inaktivaci unikají. Jsou to např. geny s funkční homologní sekvencí na chromosomu Y, ale i jiné.
Inaktivace chromosomu X u samic savců Ve velmi časné fázi embryogeneze (2-4 buněčné stádium) je inaktivovaný paternální chromosom X. V placentě inaktivace paternálního chromosomu X přetrvává po celou dobu embryogeneze. U embrya ve fázi blastocysty je inaktivovaný chromosom X reaktivován a následně dojde k náhodné inaktivaci jednoho chromosomu X. Ta už je v somatických buňkách nevratná. Po oddělení germinální linie je v samičích germinálních buňkách chromosom X zase reaktivován. U vačnatců je inaktivován vždy jen paternální chromosom X. Náhodná inaktivace chromosomu X způsobuje černě a hnědě zbarvené oblasti srsti u tříbarevné kočky.
Zvýšení transkripce na chromosomu X u savců Ohnova hypotéza Důkazy objeveny až nedávno na základě analýz expresních dat z DNA čipů (microarrays) i RNA sekvenování. Průměrná hladina exprese genů na chromosomu X a autosomech je stejná. Nguyen and Disteche 2007. Nature Genetics Kharchenko et al. 2011. Nature Genetics
Kompenzace dávky genů u octomilky 1. Zvýšení transksripce na chromosomu X u samců. samice samci A A B B A A X X A A X Y
Transkripční up-regulace chromosomu X u samců Drosophily Zvýšená transkripce způsobená vazbou MSL (male-specific lethal) komplexu na chromosom X. Součástí komplexu dvě nekódující RNA: rox1 a rox2 Vazba MSL komplexu na chromosom X způsobí rozvolnění chromatinu, což způsobí zvýšenou míru transkripce.
Kompenzace dávky genů u C. elegans 1. Zvýšení transkripce na všech chromosomech X u obou pohlaví. (?) 2. Snížení transkripce na obou chromosomech X u hermafroditů. hermafroditi samci A A B B A A X X A A X Y
Kompenzace dávky genů u C. elegans 1. Zvýšení transkripce na všech chromosomech X u obou pohlaví. (?) 2. Snížení transkripce na obou chromosomech X u hermafroditů. hermafroditi samci A A B B A A X X A A X Y
U ZW organismů není kompenzace dávky genů! Produkty Z-vázaných genů mají u samců (ZZ) v průměru 1,8x vyšší hladinu než u samic (ZW). Ke kompenzaci dochází spíš výjimečně u některých genů. Neexistuje žádný globální mechanismus kompenzace pro celý chromosom Z. Proč organismům ZW nevadí nerovnováha genové dávky, zatímco organismům XY ano? Není jasné.
Meiotická inaktivace pohlavních chromosomů Transkripční inaktivace pohlavních chromosomů během meiózy Probíhá jen u heterogametického pohlaví XY inaktivace během spermatogeneze ZW inaktivace během oogeneze U většiny organismů inaktivované pohlavní chromosomy tvoří heterochromatinové tělísko = sex body XY sex body
Inaktivace XY během spermatogeneze K inaktivaci dochází během profáze 1. meiotického dělení ve fázi pachytene (meiotic sex chromosome inactivation) Po skončení 1. meiotického dělení dochází k částečné, ne však úplné, reaktivaci (postmeiotic sex chromosome repression). Možná souvislost s inaktivací paternálního chromosomu X v časné embryogenezi u samic savců? Mechanismus meiotické inaktivace jiný než mechanismus X inaktivace v somatických buňkách. Nehraje roli Xist. meiotická inaktivace úplná postmeiotická inaktivace neúplná
Inaktivace ZW během oogeneze Také začíná v pachytene a vytrvává až do začátku diplotene 1. meiotického dělení. Tato fáze trvá u slepice 5-6 dní a probíhá těsně po vylíhnutí. V diplotene dochází k reaktivaci. Má se za to, že ZW nemohou být dále inaktivní, protože vajíčko vytrvává ve fázi diplotene až do dospělosti. meiotická inaktivace
Význam meiotické inaktivace pohlavních chromosomů Inaktivace nespárované DNA Vedle inaktivace pohlavních chromosomů dochází během meiózy také k umlčení jiné nespárované DNA (vzniká např. u heterozygotů pro chromosomální translokaci). Meiotická inaktivace pohlavních chromosomů může být jen speciální formou širšího jevu, který se týká jakékoli nespárované DNA. Inaktivace nespárované DNA může být obranou proti ektopické rekombinaci či jako obrana před cizorodou DNA. Ochrana před sobeckými geny na pohlavních chromosomech Diferenciace a absence rekombinace na pohlavních chromosomech zvyšuje riziko vzniku sobeckých genů na těchto chromosomech. Tyto geny se snaží přenést do další generace častěji než jejich protějšky na opačném chromosomu, i když tím škodí svému hostiteli. Meiotická inaktivace pohlavních chromosomů by mohla být obranou proti těmto sobeckým genům.
Evoluční důsledky vzniku pohlavních chromosomů
Hromadění sobeckých elementů na pohlavních chromosomech Meiotický tah preferenční přenos jedné alely do další generace. Může k němu docházek během spermatogeneze i oogeneze. Geny způsobující meiotický tah vznikají v oblastech, které nerekombinují (např. chr X a chr Y). Aa A a 90 % 10 % jed protijed
Hromadění sobeckých elementů na pohlavních chromosomech Evoluční závody ve zbrojení mezi geny na chromosomu X a Y Rychlá evoluce pohlavních chromosomů
Zvýšená divergence genů na pohlavních chromosomech mezi druhy autosomy Rychlá evoluce pohlavních chromosomů chromosom Z Důležitá role pohlavních chromosomů při vzniku druhů. slavík tmavý slavík obecný
Epigenetické modifikace pohlavních chromosomů fungují jako past, která nedovolí výměnu genů mezi chromosomem X (Z) a autosomy. lidský karyotyp myší karyotyp
HLEDÁME STUDENTA SE ZÁJMEM O EVOLUČNÍ BIOLOGII A GENETIKU! Výzkum speciace u dvou druhů slavíků Kombinace genetických a ekologických přístupů. Práce v terénu i molekulární laboratoři, bioinformatická analýza next-generation sekvenčních dat (již k dispozici!). slavík obecný Práce v mladém multidisciplinárním týmu (katedra zoologie a ekologie Přf UK, Ústav molekulární genetiky AV ČR). Mezinárodní spolupráce s University of Arizona, USA, Freie Universität Berlin a University of Poznaň. slavík tmavý Kontakt: RNDr. Radka Reifová, Ph.D., Katedra zoologie, radkas@natur.cuni.cz