Evolucija spolnih kromosomov

Ljudje imamo 46 kromosomov, 22 parov telesnih kromosomov (avtosomi) in 1 par spolnih kromosomov (alosomi). Ženske imajo dva X kromosoma, moški pa X in Y spolni kromosom. Nekdaj sta bila kromosom X in Y homologna, čez evolucijo pa se je Y kromosom skrčil na tretjino prvotne velikosti. Oba kromosoma nosita gene, pomembne za spolni razvoj, na njunih koncih pa se nahajajo regije, ki se obnašajo kot avtosomi in niso spolno specifične. X kromosom je eden izmed večjih kromosomov pri človeku, a vsebuje relativno majhno število genov - približno 4% genov iz celotnega genoma. 23 kromosomov podedujemo od matere, 23 pa od očeta. V gametah je število kromosomov 23, ob oploditvi pa je v oplojenem jajčecu 46 kromosomov.

Evolucija sesalcev

Ker je razvoj spolnih kromosomov vezan na evolucijo sesalcev poglejmo kako so se razvijali oni. Prvi sesalci so živeli že v triasu (pred 225 mio. leti), razvili so se iz zverozobcev, izumrlih plazilcev. Prvi vrečarji in placentalni sesalci so se razvili ob koncu mezozoika (pred 60 mio. leti), njihov buren razvoj pa se je pričel šele v kenozoiku (pred 40 mio. leti). Vrste sesalcev kot jih poznamo danes so se v večini razvile šele v pleistocenu, torej v zadnjih dveh milijonih let, ostale prepoznavamo iz fosilov. Danes živi okoli 4000 vrst sesalcev, ki jih delimo v tri velike veje: stokovce (predstavniki: kljunaš, kljunati ježek), vrečarje (predstavniki: kenguruji, koale, oposumi) in placentalne sesalce (žužkojedi, prvaki, zajci, glodavci, zveri, kopitarji, kiti).

Evolucija spolnih kromosomv

Evolucijo spolnih kromosomov so raziskovali s primerjavo različic spolnih kromosomov med tremi velikimi vejami sesalcev. Vrečarji in stokovci predstavljajo sesalce, ki so v oddaljenem sorodstvu s človekom in so se evolucijsko odcepili približno 180 milijonov let nazaj. Pri vrečarjih sta spolna kromosoma manjša in najverjetneje ne vsebujeta regije PAR (regija na kromosomu Y kjer poteka rekombinacija) saj se med mejozo sploh ne parita. Stokovci pa imajo, ravno obratno, večja kromosoma, ki se parita na večjem delu kot človeška. Tretja veja so višji sesalci, v katero spadamo tudi ljudje, vsi imamo podoben genom. Večina podatkov, kot začetek evolucije spolnih kromosomov omenja obdobje pred 300 milijoni let. Menijo namreč, da se je evolucija pričela že s samim razvojem sesalcev. Zadnje raziskave to trditev zavračajo, saj so že večkrat dokazali, da se je evolucija pričela šele ob ločitvi dveh sesalčjih rodov, vrečarjev (marsupial) in višjih sesalcev (oz. placentalnih sesalcev, eutherian). Do tega naj bi torej prišlo pred približno 180 milijoni let, zadnji skupni prednik obeh skupin je theria.

Potek evolucije spolnih kromosomov

V času spreminjanja zaporedja spolnih kromosomov sta bila X in Y podvržena izgubi in novim pridobitvam genetskega materiala, vsaka sprememba pa zmanjšuje kompatibilnost obeh kromosomov. Avtosomni par iz katerega sta se razvila spolna kromosoma sestavljata protoX in protoY. Skozi tisočletja sta si med mejozo izmenjevala gene, med drugim je prišlo tudi do pomembne mutacije gena SOX, ki ga na kromosomu Y imenujemo SRY in določa moški spol. Do te mutacije naj bi sicer prišlo pred približno 300 milijoni let, prve živali s SRY so sesalčja veja stokovcev. V naslednji stopnji evolucije je prihajalo do velikih sprememb predvsem na protoY, med tem ko se je protoX sorazmerno dobro ohranjal. Do sprememb je prišlo zaradi nastajanja številnih zank, ki se niso odvile pravilno temveč so se prekrižale in tako hitro ter močno spremenile zaporedje. Prav tako je prihajalo do številnih izpadov genov in kromosom Y se je postopoma krajšal do tretjine prvotne dolžine, oziroma velikosti protoY in s tem izgubil večino informacij. Podobne spremembe se sicer dogajajo na vseh kromosomih, a se zaradi svoje neugodnosti tekom evolucije izločijo. Rekombinacija na kromosomu Y se je pretežno ustavila po sprejetju dodatnega spolno delujočega faktorja, vključilo pa se je še več drugih genov, ki določajo za moški spol specifične lastnosti. Tretji velik dogodek v evoluciji spolnih kromosomov, je prevzem kopije gena DAZ (skrbi za nemoteno spermatogenezo), ki ga je kromosomu Y doniral avtosom. Ta se je še podvojeval, tako da lahko v Y najdemo kar štiri kopije, ki so ključne predvsem v spermatogenezi, njihovo število pa zagotavlja nemoten proces tudi če pride do mutacije na enem izmed genov. V nekaterih primerih pride do napak na vseh štirih genih, kar pri moških vodi v slabšo plodnost. Zaradi sorazmerno slabega ujemanja obeh spolnih kromosomov pa prihaja do novih težav na kromosomu Y. In sicer je ta dovzeten za delecije, predvsem na delih zaporedja, ki so izgubila svoj par na kromosomu X. Rekombinacija lahko poteka le med skrajnima koncema kromosomov X in Y (na regijah PAR). Regijo na Y, kjer rekombinacija ne poteka , imenujemo NRY (ang. non recombining region of Y; nerekombinirajoča regija Y) in je v vseh moških osebkih popolnoma enaka. Y se zaradi mnogih delecij počasi krajša. Na drugi strani se kromosom X ne zmanjšuje ampak ostaja dobro ohranjen, saj v paru X pri ženskah poteka nemotena rekombinacija.

Geni povezani z določanjem spola

Pri določevanju spola so pomembni predvsem geni iz družine SOX, ki kodirajo transkripcijske faktorje. Kot nam pove ime, je za določevanje spola danes pomemben predvsem gen SRY (ang. sex determining region; spol določujoča regija), ki se nahaja na kromosomu Y. Predstavljenih je več mehanizmov delovanja SRY. Na eni strani naj bi SRY direktno aktiviral gene, ki vplivajo na diferenciacijo in delovanje testisov. Po drugi strani je predlagana teorija v kateri SRY deluje kot inhibitor SOX9. Ker sta SRY in SOX9 pozitivna regulatorja razvoja testisov, je pri tem mehanizmu vpleten še tretji gen, SOX 3 na kromosomu X. Pri ženskih osebkih SOX3 inhibira SOX9 in s tem zaustavi razvoj testisov. Pri moških osebkih, ki SRY regijo, pa ta inhibira SOX3, ki ne more inaktivirati SOX9 in testisi se normalno razvijejo.

Evolucija gena SRY

SOX9 najdemo tudi pri ptičih in plazilcih kar pomeni, da ima pomembno vlogo približno 350 milijonov let nazaj. V skupnem predniku je bil mehanizem regulacije najverjetneje količina izraženega SOX3. Ko je ta mutiral v SRY se je mehanizem spremenil in sčasoma postal tak kot ga poznamo danes. Rekombinacija med X in Y se ni zaustavila na celotni dolžini naenkrat ampak se je to zgodilo v več zaporednih dogodkih. Regije na katerih se je rekombinacija zaustavila ob določenem času se imenujejo evolucijska plast. Na človeškem Y kromosomu se je to zgodilo petkrat, gen SRY se je pojavil v prvi. To se sklada z predvidevanji, da je prav nastanek spolno določujočih regij, kot je SRY začetek ali sprožitelj diferenciacije avtosomov v spolne kromosome.

Spreminjanje kromosoma X

Čeprav je X bolje ohranjen je tekom evolucije tudi na njem prihajalo do sprememb. Raziskave so izvajali na Drosophili miranda (sorodnica vinske mušice), ki so v svoji evoluciji razvile že tri pare spolnih kromosomov. Zadnji (neoX in neoY) je nastal pred približno milijonom let z fuzijo obstoječega Y in avtosoma. Z primerjavo mladega para in že prej obstoječih so lahko zasledovali skoraj celotno evolucijo. Poleg normalnih sprememb na neoY so opazili tudi spreminjanje na neoX. Pri evoluciji X so pomembni moško in žensko specifični evolucionarni pritiski. Na kromosomu X na začetku razvoja opazimo večje izražanje genov specifičnih za moški spol, kasneje se to spremeni in X začne privzemati žensko specifične gene. Sprememba se zgodi zaradi dveh kopiji X kromosoma v ženskah, kar pomeni, da je selekciji v ženskih osebkih podvržen dvakrat dlje kot pri moških. Ker imajo moški samo eno kopijo, spremembe potrebujejo nekaj več časa, da se razširijo po celotni populaciji. Razvijajoči X kromosom se mora prilagajati degeneraciji Y. Posledično se mnogi geni na X podvajajo, da lahko nadomestijo proteine ali druge produkte iz Y kromosoma, ki ne nastajajo več. Spremembe se dogajajo tudi na regiji PAR, saj lahko geni prehajajo vse dokler se njihova pozicija ne blokira z razširitvijo nerekombinirajoče regije.

Izginjanje kromosoma Y

V zadnjem času se pojavljajo hipoteze in eksperimenti s katerimi želijo dokazati, da se bo kromosom Y skozi evolucijo še manjšal in čez nekaj časa morda celo izginil. Skupina znanstvenikov je dokazala, da se je kromosom Y razvijal mnogo hitreje kot kromosom X. Prav hitra evolucija kromosoma Y je povzročila izgubo mnogih genov, če se bo razvoj v tej smeri nadaljeval, je mogoče popolno izginotje kromosoma Y. Raziskava je temeljila na primerjavi DNA spolnih kromosomov višjih sesalcev z DNA v avtosomih stokovcev in vrečarjev. Geni, ki so preostali na kromosomu Y, so zaradi njihovega dolgega obstoja bistvenega pomena. Izginotje kromosoma Y, pa ne bi pomenilo konec moške rase, saj bo nov par telesnih kromosomov verjetno začel proces pretvorbe v spolnega. Obstaja več možnosti za spremembe genov na kromosomu Y: nekateri geni bi ostali nedotaknjeni, nekateri bodo pridobili mutacije, ki bodo povzročile, da bodo manj aktivni, nekateri bodo povsem inaktivirani. Če predpostavimo linearnost izgube genov kromosoma Y je verjetno, da bo kromosom izginil čez približno 4,6 milijona let. Obstajata že dve vrsti glodavcev, ki sta preživeli popolno izgubo Y kromosoma (npr. japonska podgana). Oblikovala se je skupina z nasprotnim prepričanjem, ki je potrdila študijo konkurenčne skupine, da je tekom evolucije kromosom Y izgubil večino svojih genov. Z eksperimenti so ugotovili, da je Y kromosom v zadnjih 25 milijonih let izgubil le en gen, v zadnjih 6 milijonih let pa pri ljudeh ni prišlo do izgube niti enega gena iz kromosoma Y (od razvojne ločitve ljudi in šimpanzov). Dokazali so, da Y kromosom vpliva na celice, ki so prisotne v različnih delih telesa in ne le v spolnih organih. Obstaja približno dvanajst genov, ki so ohranjeni na kromosomu Y in so izraženi v tkivih po celem telesu. V prihodnosti bodo poskušali natančneje preučiti skupino teh "elitnih" genov, ki so ohranjeni na kromosomu Y in so bistvenega pomena.

Viri

• Marshalll Graves J. , The Journal of experimental zoology, 1998, letn. 281, str. 472-481
• Williams R., Sex Drives Chromosome Evolution, 19.7 2012. (citirano 4.5 2015) http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/32368/title/Sex-Drives-Chromosome-Evolution/
• Sanders R., The story of X — evolution of a sex chromosome,16. 4 2009, (citirano 4.5 2015)http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2009/04/16_xchrom.shtml
• Griffin D. K., Is the Y chromosome disappearing?—Both sides of the argument, Chromosome Research, januar 2012, 20, str. 35-45.
• Pereza N, Ostojić S., Zgodba o X in Y, (citirano: 3.5.2015) http://www.zzjzpgz.hr/nzl/67/iks.htm