Geschlechtschromosom - Sex chromosome

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Menschliche männliche XY-Chromosomen nach G-Bande

Ein Geschlechtschromosom (auch als Allosom , heterotypisches Chromosom, Gonosom oder Heterochromosom oder Idiochromosom bezeichnet ) ist ein Chromosom , das sich in Form, Größe und Verhalten von einem gewöhnlichen Autosom unterscheidet . Die menschlichen Geschlechtschromosomen, ein typisches Paar von Säugetier- Allosomen, bestimmen das Geschlecht eines Individuums, das bei der sexuellen Fortpflanzung erzeugt wird . Autosomen unterscheiden sich von Allosomen, weil Autosomen in Paaren auftreten, deren Mitglieder dieselbe Form haben, sich jedoch von anderen Paaren in einer diploiden Zelle unterscheiden , während sich Mitglieder eines Allosomenpaars voneinander unterscheiden und dadurch das Geschlecht bestimmen können.

Nettie Stevens und Edmund Beecher Wilson entdeckten beide 1905 unabhängig voneinander Geschlechtschromosomen. Stevens wird jedoch zugeschrieben, sie früher als Wilson entdeckt zu haben.

Unterscheidung

Beim Menschen enthält jeder Zellkern 23 Chromosomenpaare, insgesamt 46 Chromosomen. Die ersten 22 Paare werden Autosomen genannt . Autosomen sind homologe Chromosomen, dh Chromosomen, die entlang ihrer Chromosomenarme dieselben Gene (DNA-Regionen) in derselben Reihenfolge enthalten. Die Chromosomen des 23. Paares werden Allosomen genannt, die bei den meisten Frauen aus zwei X-Chromosomen und bei den meisten Männern aus einem X-Chromosom und einem Y-Chromosom bestehen . Frauen haben daher 23 homologe Chromosomenpaare, während Männer 22 haben. Die X- und Y-Chromosomen haben kleine Homologieregionen, die als pseudoautosomale Regionen bezeichnet werden.

Das X-Chromosom ist immer als 23. Chromosom in der Eizelle vorhanden, während in einem einzelnen Sperma entweder ein X- oder ein Y-Chromosom vorhanden sein kann . Zu Beginn der weiblichen Embryonalentwicklung wird in anderen Zellen als Eizellen eines der X-Chromosomen zufällig und dauerhaft teilweise deaktiviert : In einigen Zellen ist das von der Mutter geerbte X-Chromosom deaktiviert, während in anderen das X-Chromosom des Vaters deaktiviert ist. Dies stellt sicher, dass beide Geschlechter immer genau eine funktionelle Kopie des X-Chromosoms in jeder Körperzelle haben. Das deaktivierte X-Chromosom wird durch repressives Heterochromatin zum Schweigen gebracht , das die DNA verdichtet und die Expression der meisten Gene verhindert (siehe X-Inaktivierung ). Diese Verdichtung wird durch PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2) reguliert .

Geschlechtsbestimmung

Alle diploiden Organismen mit allosomenbestimmtem Geschlecht erhalten die Hälfte ihrer Allosomen von jedem ihrer Eltern. Bei Säugetieren sind die Weibchen XX, sie können eines ihrer X weitergeben, und da die Männchen XY sind, können sie entweder ein X oder ein Y weitergeben. Damit ein Säugetier weiblich ist, muss das Individuum von beiden Elternteilen ein X-Chromosom erhalten Um männlich zu sein, muss das Individuum ein X-Chromosom von seiner Mutter und ein Y-Chromosom von seinem Vater erhalten. Es ist also das Sperma des Mannes, das das Geschlecht jedes Nachwuchses bei Säugetieren bestimmt.

Ein kleiner Prozentsatz der Menschen hat jedoch eine unterschiedliche sexuelle Entwicklung, die als intersexuell bezeichnet wird . Dies kann aus Allosomen resultieren, die weder XX noch XY sind. Es kann auch auftreten, wenn zwei befruchtete Embryonen verschmelzen und eine Chimäre produzieren , die zwei verschiedene DNA-Sätze enthalten kann, einen XX und einen XY. Es könnte auch aus der Exposition, oft in der Gebärmutter, gegenüber Chemikalien resultieren, die die normale Umwandlung der Allosomen in Sexualhormone und die Entwicklung von mehrdeutigen äußeren Genitalien oder inneren Organen stören .

Frühere Theorien zur Geschlechtsbestimmung

Seit der Entdeckung der X-Inaktivierung durch Forschung an Calico-Katzen wurde postuliert, dass die X-Inaktivierung eine Rolle bei der genetischen Geschlechtsbestimmung beim Menschen spielt. Anfangs gab es viele Theorien darüber, wie genau die X-Inaktivierung das Geschlecht beeinflusst. Um eine solche Theorie zu verstehen, können Sie das folgende Szenario berücksichtigen: Eine DNA-Sequenz, die sich mit der Erzeugung eines männlichen Merkmals befasst, wird durch eine regulatorische DNA-Sequenz reguliert . Wenn die regulatorische DNA-Sequenz die Expression der Hauptsequenz ermöglicht, erscheint das männliche Merkmal im Phänotyp , andernfalls nicht. Eine Erklärung für diese Theorie ist, dass das X-Chromosom in Gegenwart eines anderen X-Chromosoms einfach inaktiviert wird; Dies führt dazu, dass Menschen mit XX-Chromosomen eine geringere Häufigkeit des regulatorischen Gens aufweisen (vorausgesetzt, dass sowohl X- als auch Y-Chromosomen die gleiche Häufigkeit des Reglers aufweisen), so dass verhindert wird, dass die Expression des männlichen Merkmals im Phänotyp auftritt.

Ein Bild, das den Ort des SRY-Gens auf dem Y-Chromosom zeigt.

Geschlechtsbestimmung wie heute verstanden

Theorien wie die oben genannten sind jedoch inzwischen überflüssig geworden. In der Vergangenheit gab es nicht viele Belege für die Annahme, dass die Inaktivierung der X-Chromosomen aufgrund einer Dosierungskompensation erfolgte . Gegenwärtig wird angenommen, dass ein X-Chromosom bei weiblichen Menschen inaktiviert ist (in einem Barr-Körper verdreht, so dass auf seine DNA-Sequenzen nicht zugegriffen werden kann). Dies lässt sowohl bei männlichen als auch bei weiblichen Menschen nur ein funktionierendes X-Chromosom übrig, wodurch die „Dosierung“ ausgeglichen wird.

Aber die Dosierungsregulierung ist nicht alles, was zur genetischen Geschlechtsbestimmung gehört. Es gibt ein Gen im Y-Chromosom, das regulatorische Sequenzen aufweist, die Gene steuern, die für Männlichkeit kodieren. Dieses Gen wird als SRY-Gen bezeichnet . Die Bedeutung der SRY-Sequenz bei der Geschlechtsbestimmung wurde entdeckt, als die Genetik von geschlechtsumgekehrten XX-Männern (dh Menschen, die biologische männliche Merkmale besaßen, aber tatsächlich XX-Allosomen hatten) untersucht wurde. Nach der Untersuchung wurde festgestellt, dass der Unterschied zwischen einem typischen XX-Individuum (traditionelle Frau) und einem geschlechtsumgekehrten XX-Mann darin bestand, dass den typischen Individuen das SRY-Gen fehlte. Es wird vermutet , dass in geschlechtsumgekehrt XX Männern, fälschlicherweise das SRY wird transloziert zu einem X-Chromosom in dem XX - Paar während der Meiose . Wie auch immer, dieses Experiment hatte die Rolle des SRY-Gens bei der genetischen Geschlechtsbestimmung bewiesen.

Andere Wirbeltiere

Es wird argumentiert, dass Menschen aufgrund ihres Status als hochkomplexe Akkordate ein komplexes System der genetischen Geschlechtsbestimmung entwickelt haben . Niedrigere Chordaten wie Fische, Amphibien und Reptilien haben Systeme, die von der Umwelt beeinflusst werden. Fische und Amphibien haben zum Beispiel eine genetische Geschlechtsbestimmung, aber ihr Geschlecht kann auch durch extern verfügbare Steroide und die Inkubationstemperatur von Eiern beeinflusst werden. Bei Reptilien bestimmt nur die Inkubationstemperatur das Geschlecht.

Viele Wissenschaftler argumentieren, dass die Geschlechtsbestimmung in Blütenpflanzen komplexer ist als beim Menschen. Dies liegt daran, dass selbst die Untergruppe der Blütenpflanzen eine Vielzahl von Paarungssystemen aufweist. Ihre Geschlechtsbestimmung wird hauptsächlich durch MADS-Box-Gene reguliert. Diese Gene kodieren für Proteine, die die Geschlechtsorgane in Blumen bilden.

Das Verständnis der Geschlechtsbestimmung in anderen taxonomischen Gruppen ermöglicht es uns, die Geschlechtsbestimmung beim Menschen besser zu verstehen und den Menschen genauer in den phylogenetischen Baum einzubeziehen.

Pflanzen

Geschlechtschromosomen sind am häufigsten bei Bryophyten , relativ häufig bei Gefäßpflanzen und bei Farnen und Lykophyten unbekannt . Die Vielfalt der Pflanzen spiegelt sich in ihren Geschlechtsbestimmungssystemen wider, zu denen XY- und UV- Systeme sowie viele Varianten gehören. Geschlechtschromosomen haben sich in vielen Pflanzengruppen unabhängig voneinander entwickelt. Die Rekombination von Chromosomen kann vor der Entwicklung von Geschlechtschromosomen zu Heterogamie führen , oder die Rekombination kann nach der Entwicklung von Geschlechtschromosomen verringert werden. Normalerweise bleiben nur wenige pseudoautosomale Regionen übrig, sobald die Geschlechtschromosomen vollständig differenziert sind. Wenn sich die Chromosomen nicht rekombinieren, beginnen sich neutrale Sequenzdivergenzen anzusammeln, die verwendet wurden, um das Alter der Geschlechtschromosomen in verschiedenen Pflanzenlinien abzuschätzen. Auch die älteste geschätzte Divergenz in der Lebermoos Marchantia polymorpha , ist aktueller als Säugetier oder Vogel Divergenz. Aufgrund dieser Aktualität haben die meisten Chromosomen des Pflanzengeschlechts auch relativ kleine geschlechtsgebundene Regionen. Aktuelle Erkenntnisse belegen nicht die Existenz von Pflanzengeschlechts-Chromosomen, die älter sind als die von M. polymorpha .

Die hohe Prävalenz der Autopolyploidie in Pflanzen beeinflusst auch die Struktur ihrer Geschlechtschromosomen. Polyploidisierung kann vor und nach der Entwicklung von Geschlechtschromomen auftreten. Wenn es nach der Etablierung von Geschlechtschromosomen auftritt, sollte die Dosierung zwischen den Geschlechtschromosomen und den Autosomen konstant bleiben und die Geschlechtsdifferenzierung nur minimal beeinflussen. Wenn es auftritt, bevor Geschlechtschromosomen heteromorph werden, wie es beim oktoploiden roten Sauerampfer Rumex acetosella wahrscheinlich ist , wird das Geschlecht in einem einzigen XY-System bestimmt. In einem komplizierteren System weist die Sandelholzart Viscum fischeri bei Frauen X1X1X2X2-Chromosomen und bei Männern X1X2Y-Chromosomen auf.

Nicht vaskuläre Pflanzen

Farne und Lykophyten haben bisexuelle Gametophyten und daher gibt es keine Hinweise auf Geschlechtschromosomen. In den Bryophyten, einschließlich Leberblümchen, Hornkraut und Moosen, sind Geschlechtschromosomen häufig. Die Geschlechtschromosomen in Bryopheten beeinflussen, welcher Gametentyp vom Gametophyten produziert wird, und der Gametophyten-Typ ist sehr unterschiedlich. Im Gegensatz zu Samenpflanzen, bei denen Gametophyten immer unisexuell sind, können sie bei Bryophyten männliche, weibliche oder beide Arten von Gameten produzieren.

Bryophyten verwenden am häufigsten ein UV-Geschlechtsbestimmungssystem, bei dem U weibliche Gametophyten und V männliche Gametophyten produziert. Die U- und V-Chromosomen sind heteromorph, wobei U größer als V ist, und sind häufig beide größer als die Autosomen. Selbst innerhalb dieses Systems gibt es Variationen, einschließlich UU / V- und U / VV-Chromosomenanordnungen. Bei einigen Bryophyten wurde festgestellt , dass Mikrochromosomen zusammen mit Geschlechtschromosomen auftreten und wahrscheinlich die Geschlechtsbestimmung beeinflussen.

Gymnospermen

Dioecy ist unter Gymnospermen verbreitet und kommt bei geschätzten 36% der Arten vor. Heteromorphe Geschlechtschromosomen sind jedoch relativ selten. Ab 2014 sind nur 5 Arten bekannt. Fünf davon verwenden ein XY-System und eine ( Ginkgo biloba ) ein WZ-System. Einige Gymnospermen wie Johanns Kiefer ( Pinus johannis ) haben homomorphe Geschlechtschromosomen, die durch Karyotypisierung kaum zu unterscheiden sind .

Angiospermen

Cosexuelle Angiospermen mit einhäusigen oder zwittrigen Blüten haben keine Geschlechtschromosomen. Angiospermen mit unterschiedlichen Geschlechtern (zweihäusig) können Geschlechtschromosomen oder Umweltblumen zur Geschlechtsbestimmung verwenden. Zytogenetische Daten von etwa 100 Angiospermenspezies zeigten heteromorphe Geschlechtschromosomen in etwa der Hälfte, meist in Form von XY-Geschlechtsbestimmungssystemen. Ihr Y ist im Gegensatz zum Menschen typischerweise größer; Es gibt jedoch Unterschiede zwischen Angiospermen. In der Pappelgattung ( Populus ) weisen einige Arten eine männliche Heterogamie auf, während andere eine weibliche Heterogamie aufweisen. Geschlechtschromosomen sind in Angiospermen mehrfach unabhängig voneinander aus dem monözischen Ahnenzustand entstanden. Der Übergang von einem einhäusigen zu einem zweihäusigen System erfordert, dass sowohl männliche als auch weibliche Sterilitätsmutationen in der Bevölkerung vorhanden sind. Männliche Sterilität tritt wahrscheinlich zuerst als Anpassung auf, um Selfing zu verhindern. Sobald die männliche Sterilität eine bestimmte Prävalenz erreicht hat, kann die weibliche Sterilität auftreten und sich ausbreiten.

In der domestizierten Papaya ( Carica papaya ) sind drei Geschlechtschromosomen vorhanden, die als X, Y und Y h bezeichnet werden . Dies entspricht drei Geschlechtern: Frauen mit XX-Chromosomen, Männer mit XY und Hermaphroditen mit XY h . Es wird geschätzt, dass das zwittrige Geschlecht erst vor 4000 Jahren nach der Domestizierung der Pflanze entstanden ist. Die genetische Architektur legt nahe , dass entweder das Y-Chromosom ein X-inaktivierende Gene aufweist, oder daß der Y h Chromosom hat eine X-aktivierenden Gen.

Medizinische Anwendungen

Allosomen tragen nicht nur die Gene, die männliche und weibliche Merkmale bestimmen, sondern auch diejenigen für einige andere Merkmale. Gene, die von beiden Geschlechtschromosomen getragen werden, sollen geschlechtsgebunden sein . Geschlechtsgebundene Krankheiten werden über eines der X- oder Y-Chromosomen über Familien weitergegeben. Da Männer normalerweise Y-Chromosomen erben, sind sie die einzigen, die Y-verknüpfte Merkmale erben. Männer und Frauen können die X-verknüpften erhalten, da beide X-Chromosomen erben.

Ein Allel soll entweder dominant oder rezessiv sein . Eine dominante Vererbung tritt auf, wenn ein abnormales Gen eines Elternteils eine Krankheit verursacht, obwohl das passende Gen des anderen Elternteils normal ist. Das abnormale Allel dominiert. Rezessive Vererbung liegt vor, wenn beide übereinstimmenden Gene abnormal sein müssen, um eine Krankheit zu verursachen. Wenn nur ein Gen im Paar abnormal ist, tritt die Krankheit nicht auf oder ist mild. Jemand, der ein abnormales Gen hat (aber keine Symptome), wird als Träger bezeichnet. Ein Träger kann dieses abnormale Gen an seine Kinder weitergeben. Das X-Chromosom trägt ungefähr 1500 Gene, mehr als jedes andere Chromosom im menschlichen Körper. Die meisten von ihnen kodieren für etwas anderes als weibliche anatomische Merkmale. Viele der nicht geschlechtsbestimmenden X-chromosomalen Gene sind für abnormale Zustände verantwortlich. Das Y-Chromosom trägt etwa 78 Gene. Die meisten Y-Chromosomengene sind an den wesentlichen Aktivitäten zur Zellhaltung und der Spermienproduktion beteiligt. Nur eines der Y-Chromosomengene, das SRY-Gen, ist für männliche anatomische Merkmale verantwortlich. Wenn eines der 9 Gene, die an der Spermienproduktion beteiligt sind, fehlt oder defekt ist, ist das Ergebnis normalerweise eine sehr niedrige Spermienzahl und Unfruchtbarkeit. Beispiele für Mutationen auf dem X-Chromosom sind häufigere Erkrankungen wie Farbenblindheit , Hämophilie und Fragile-X-Syndrom .

  • Farbenblindheit oder Farbsehschwäche sind die Unfähigkeit oder verminderte Fähigkeit, unter normalen Lichtbedingungen Farbe zu erkennen oder Farbunterschiede wahrzunehmen. Farbenblindheit betrifft viele Menschen in der Bevölkerung. Es gibt keine tatsächliche Blindheit, aber es gibt einen Mangel an Farbsehen. Die häufigste Ursache ist ein Fehler bei der Entwicklung eines oder mehrerer Sätze von Netzhautkegeln, die Farbe im Licht wahrnehmen und diese Informationen an den Sehnerv übertragen. Diese Art der Farbenblindheit ist normalerweise eine geschlechtsgebundene Erkrankung. Die Gene, die Photopigmente produzieren, werden auf dem X-Chromosom getragen; Wenn einige dieser Gene fehlen oder beschädigt sind, wird Farbenblindheit bei Männern mit einer höheren Wahrscheinlichkeit als bei Frauen exprimiert, da Männer nur ein X-Chromosom haben.
  • Hämophilie bezieht sich auf eine Gruppe von Blutungsstörungen, bei denen es lange dauert, bis das Blut gerinnt. Dies wird als X-Linked rezessiv bezeichnet. Hämophilie ist bei Männern viel häufiger als bei Frauen, da Männer hemizygot sind. Sie haben nur eine Kopie des fraglichen Gens und drücken daher das Merkmal aus, wenn sie ein mutiertes Allel erben. Im Gegensatz dazu muss eine Frau zwei mutierte Allele erben, ein weniger häufiges Ereignis, da das mutierte Allel in der Bevölkerung selten ist. X-chromosomale Merkmale werden mütterlicherseits von Trägermüttern oder von einem betroffenen Vater geerbt. Jeder Sohn einer Trägermutter hat eine 50% ige Wahrscheinlichkeit, das X-Chromosom zu erben, das das mutierte Allel trägt.
    • Königin Victoria war Trägerin des Gens für Hämophilie. Sie gab das schädliche Allel an einen ihrer vier Söhne und mindestens zwei ihrer fünf Töchter weiter. Ihr Sohn Leopold hatte die Krankheit und starb im Alter von 30 Jahren. Infolge der Heirat mit anderen europäischen Königsfamilien verbreiteten die Prinzessinnen Alice und Beatrice Hämophilie in Russland, Deutschland und Spanien. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten zehn Nachkommen Victorias Hämophilie. Alle waren erwartungsgemäß Männer.
  • Das Fragile X-Syndrom ist eine genetische Erkrankung, bei der ein Teil des X-Chromosoms verändert wird. Es ist die häufigste Form der angeborenen geistigen Behinderung (geistige Behinderung) bei Männern. Es wird durch eine Veränderung in einem Gen namens FMR1 verursacht. Ein kleiner Teil des Gencodes wird auf einem fragilen Bereich des X-Chromosoms wiederholt. Je mehr Wiederholungen, desto wahrscheinlicher ist ein Problem. Männer und Frauen können beide betroffen sein, aber da Männer nur ein X-Chromosom haben, ist es wahrscheinlich, dass ein einzelnes fragiles X sie stärker betrifft. Die meisten fragilen X-Männer haben große Hoden, große Ohren, schmale Gesichter und sensorische Verarbeitungsstörungen, die zu Lernschwierigkeiten führen.

Andere Komplikationen sind:

  • 46, XX Hodenstörung der Geschlechtsentwicklung, auch XX männliches Syndrom genannt , ist eine Erkrankung, bei der Personen mit zwei X-Chromosomen in jeder Zelle, wie sie normalerweise bei Frauen auftreten, ein männliches Aussehen haben. Menschen mit dieser Störung haben männliche äußere Genitalien. Bei den meisten Menschen mit 46, XX Hodenstörung der Geschlechtsentwicklung resultiert der Zustand aus einem abnormalen Austausch von genetischem Material zwischen Chromosomen (Translokation). Dieser Austausch erfolgt als zufälliges Ereignis während der Bildung von Spermien im Vater der betroffenen Person. Das SRY-Gen (das sich auf dem Y-Chromosom befindet) ist bei dieser Störung fast immer auf einem X-Chromosom verlegt. Jeder mit einem X-Chromosom, das das SRY-Gen trägt, entwickelt männliche Eigenschaften, obwohl er kein Y-Chromosom besitzt.

Sehen

Verweise