DETERMINACE A VÝZNAMDETERMINACE A VÝZNAMDETERMINACE A VÝZNAM
POHLAVNOSTIPOHLAVNOSTIPOHLAVNOSTI
XY
XX
Determinace a vývoj pohlavnostiDeterminace 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
 meiosa 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
Transdukční dráha sex-determinačních signálů u C-elegans (X0lethalHER1-TRA1,2)
… vysoká hladina negativního regulačního proteinu
X0lethal způsobí modifikaci transmembránového proteinu TRA2
cytoplasma
jádro – spuštění „samičího“ genu
TRA-2 TRA-2 HER-1XX XO
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)
Transplantace pólové
cytoplasmy může indukovat
tvorbu zárodečné linie
…
primordiální zárodečné
buňky jsou prvními
odlišnými, na posteriorním
konci
…
u drosofily,
hlístice (granule P)
a žab
ink
ellow
ellow
reen
cytoplasma posterioru oplozeného vajíčka
přenesena do anterioru jiného
anteriorní buňky (s pólovou plasmou)
přeneseny do jiného posterioru
moucha G vytváří zárodečné buňky
s genotypem G a Y
migrace
do gonád
syncycium
celularizace
oskar
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!)
červec citroníkový Planococcus citri, Homoptera
fakultativni heterochromatinizace paternálních
chromosomů ( Uzi Nur 1990, Rochester )
PSEUDOARRHENOTOKIE
selektivní umlčování či eliminace paternálních
chromosomů
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
KOMPENZACE DÁVKY GENŮ
(hermafrodit)
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
c normální X má 6-60 tripletů CGG v 5'UTR genu FMR1 :
(CGG)10AGG(CGG)9AGG(CGG)9
c muži-přenašeči nesou premutaci mezi 60 and 200 kopiemi
c M-B pacienti mají přes 200 kopií repetice
David Skuse Turnerův syndrom
( London 1997 ) ( Xm0, Xp0, XXdel )
X-GEN ODPOVĚDNÝ ZA SOCIÁLNÍ CHOVÁNÍ
JE MATERNÁLNĚ UMLČOVÁN
ZVLÁŠTNÍ ROLE X VE VÝVOJI SAVCŮ
c přítomen v jedné či dvou kopiích (XY, XX),
parciální mozaiková inaktivace u samiček
c musí být imprintován, neboť je extraembryonálně inaktivován
výhradně paternálně
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
Proč studovat rostlinné pohlavní chromosomy ?
• 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
EVOLUCE
DVOUDOMOSTI
U ROSTLIN
Rudolph Jacob Camerarius
De Sexu Plantarum (1694)
Otcové rostlinné sexuality
Jean-Jacques Rousseau
Letters on the Elements of Botany (1773)
Johann Wolfgang von Goethe
The Metamorphosis of Plants (1790)
Charles Darwin
The Different Forms of Flowers
of the Same Species (1877)
Pohlavní chromosomy rostlin
tykvice papája silenka šťovík
model
rostlinného
sexu :
silenky
Silene latifolia (Melandrium album)
samičí
supresor
samčí
fertilita
pseudoautozomální
oblast
samička sameček
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
Proč nestudovat silenky …
- Large genome (2,800 Mb~2.8pg DNA/C)
- Difficult to transform or even to culture in vitro
- Relatively long life span (~one year)
- No exact (both physical and genetic) maps available
- No agronomic impact, simple weed
Proč studovat silenky …
- Polymorphic reproductive systems in one genus
- Small size of plants, large seed production
- Large heteromorphic sex chromosomes
- 12 pairs of chromosomes in (all diploid) species
- Interspecific crosses helpful
- Model to analyze intermediate steps in sex evolution
RUMEX: SAMČÍ CHROMOSOMY Y JSOU
KONSTITUTIVNĚ HETEROCHROMATICKÉ
CHROMOSOMY Y TVOŘÍ PERIFERNÍ
HISTON - HYPOACETYLOVANÁ TĚLÍSKA
Rumex acetosa