Posebnosti X in Y kromosomov ter z njima povezane bolezni

Spolni kromosomi (imenovani tudi alosomi) so zanimivi za raziskovanje predvsem zaradi posebnega vzorca prenosa ter nenavadne strukture in funkcije, ki je značilna le za ta par kromosomov. Današnja X in Y kromosoma, se razlikujeta tako morfološko, kot genetsko. Čeprav sta si bila nekdaj homologna, danes temu ni tako – Y kromosom se je od začetka svojega razvoja do danes skrčil na le tretjino prvotne velikosti, medtem ko se dolžina X kromosoma bolj ali manj ni spremenila. Čeprav sta X in Y kromosoma ključna za determinacijo spola, pa ne nosita le genov, pomembnih za spolni razvoj - na koncih obeh kromosomov se nahajajo regije, ki se obnašajo kot avtosomi in niso spolno specifične. Abnormalnosti med X-vezanimi geni povzročajo veliko večjo pestrost bolezni, saj se na X kromosomu nahaja tudi veliko genov, ki se ne izražajo le v reproduktivnih tkivih, ampak tudi v možganih in mišičju. Ker je spol definiran s prisotnostjo različnih komplementov spolnih kromosomov (XX - ženski kariotip, XY – moški kariotip) ni presenetljivo, da so moški dovzetnejši za genetske okvare na X kromosomu.

O spolnih kromosomih

Človeška spolna kromosoma X in Y se morfološko precej razlikujeta od ostalih avtosomov, kot tudi eden od drugega – vsak vsebuje za spol specifične gene in PAR regije, ima posebne karakteristike, med mejozo pa se obnašata kot homologa. X kromosom sestavlja preko 153 milijonov baznih parov, katere predstavlja približno 2000 genov, Y pa le 59 milijonov baznih parov oz. približno 80 genov. Ženske imajo dva X kromosoma, moški pa le enega. Da se pri obeh spolih zagotovi enaka količina izraženih X-vezanih genov, se je moral tekom evolucije razviti mehanizem, imenovan X-inaktivacija.

PAR regije

Geni iz psevdoavtosomalnih regij so locirani blizu obeh koncev tako X kot Y kromosoma. Gre za kratka homologna zaporedja genov, ki se med mejozo rekombinirajo ravno tako kot avtosomi, aktivnost rekombinacije pa je odvisna od spola – pri moških ta zaseda največjo rekombinantno frekvenco v celotnem genomu. Regiji sta znani kot PAR1 in PAR2. PAR1 je večja regija, locirana na p koncu kromosom in igra pomembno vlogo pri spermatogenezi (poravnava X in Y kromosoma med rekombinacijo). Izguba te regije se izrazi kot neplodnost. Sestavlja jo približno 2,7 megabaznih parov in najmanj 29 do danes znanih genov, med katerimi je pomembnejši SHOX (transkripcijski faktor; manjkajoč povzroča kostne nepravilnosti pri ženskah s Turnerjevim sindromom). PAR2 zaseda le 330 kilobaznih parov in se nahaja na q koncu kromosoma. Znotraj te regije je poznanih le 5 genov. Nedavno so odkrili še eno PAR regijo, ki so jo poimenovali PAR3. Njena funkcija še ni znana.

X-inaktivacija

Inaktivacija X kromosoma, včasih imenovana tudi lionizacija, je proces, pri katerem se eden od dveh X kromosomov naključno inaktivira, da se zagotovi enaka količina X-vezanih genov kot pri osebah, z le enim X kromosomom. Neaktiven X kromosom (Xi) se imenuje tudi Barrovo telesce in je utišan zaradi kondenzacije 85% genetskega materiala v heterokromatin. Inaktivacija poteče že v stanju zgodnje embriogeneze, sproži pa jo Xist, ki popolnoma prekrije X kromosom. Proces lahko razdelimo na 3 stopnje (štetje, izbira, vtisnjenje), vse skupaj pa regulira X-inaktivacijski center (Xic), ki se nahaja na Xq13, ter vsebuje tudi zapis za Xist in Tsix. Xist je cis-izražena 17 kb dolga poliadenilirana nekodirajoča RNA (ncRNA), ki služi kot kalup za nadaljnje modifikacije – deacetilacija histonov H3 in H4, metilacija H3 in DNA na CpG ostankih, akumulacija in ubikvitinacija histonov macroH2A,… Tsix je zaporedje RNA, ki je komplementarno Xistu, in ima obratno funkcijo – med inaktivacijo prekrije drugi kromosom X, da le-ta ostane aktiven. Približno 15% genov inaktivaciji uide (npr. geni iz PAR regij). Predvidevajo, da regulatorne domene, ki uspejo uiti, vsebujejo neko sekvenco z zapisom za inhibicijo inaktivacijskega signala.

Geni za določitev spola

Glavni gen za določitev spola – SRY – najdemo na kromosomu Y. Sama spolna determinacija pa je zapleten proces na katerega ne vpliva le SRY ampak tudi drugi geni, ki so lahko locirani bodisi na X kromosomu ali tudi avtosomih (npr. DAX1, FOXL2…) Če je SRY prisoten in se izrazi, se razvije moški, drugače pa ženska.

SRY

SRY poskrbi za transkripcijo proteina, ki deluje kot transkripcijski faktor – testis determinirajoč faktor (TDF) – in deluje na druge transkripcijske faktorje, med katerimi sta najpomembnejša Sox3 in Sox9. Posredno sproži diferenciacijo Sertolijevih in Leydigovih celic iz celic prekurzorske linije (ki bi se drugače razvile v Theca in jajčne celice) in produkcijo AMH ter testosterona. Sry je brezintronski gen, protein pa spada v družino HMG proteinov lahko razdelimo na 3 regije (NTD, HMG, CTD). HMG ('high mobility group protein') je DNA-vezavna domena in je ključna za pravilno delovanje proteina. SRY se v procesu translokacije lahko prestavi tudi na X kromosom (ali katerikoli avtosom), zato ima lahko tudi XX kariotip z dodanim SRY genom, moški fenotip.

Bolezni povezane z X in Y kromosomoma

Wiscott-Aldrichov sindrom (WAS)

WAS je X-vezana recesivna motnja, za katero so značilni trombocitopenija (znižano število trombocitov), dermatitis in različne stopnje motenj imunskega sistema zaradi mutacij v WAS genu. Ta gen kodira WASP protein, njegova izraženost pa je omejena na hematopoetske celice (krvne celice iz katerih izhajajo vse druge krvne celice). S trombocitopenijo, so povezane tudi blage različice alela, ki je različica gena na genskem lokusu, glede na človeško populacijo. Prenašalke so večinoma asimptomatske, kar je posledica pozitivne selekcije celic z aktivnim X kromosomom. Posledice se kažejo v nenaključni inaktivaciji mutiranega gena pri prizadetih celičnih vrstah. Na inaktivacijo X-kromosoma večinoma vpliva XIST gen.

Turnerjev sindrom

Turnerjev sindrom je motnja pri ženskah, pri kateri je lahko odsoten le del drugega spolnega kromosoma ali pa cel kromosom. Za bolezen je značilna vrsta fizičnih motenj kot so prirojena limfedema (nabiranje limfe), nizka postava in gonadalna disgeneza (motnja spolnega razvoja). Približno polovica obolelih ima monosomni X (45,X), od 5 do 10 procentov pacientk zboli zaradi duplikacije »dolge roke« enega X kromosoma (46,X,i(Xq)), večina ostalih pa ima mozaicizem (2 ali več različnih populacij celic z različnimi genotipu v posamezniku) za 45, X, z eno ali večimi celičnimi linijami.

Sindrom trojnega X

Trojni X sindrom (47,XXX) predstavlja abnormalnost, za katero je značilna prisotnost dodatnega X kromosoma. Večina žensk, ki se rodijo s tem sindromom, pri rojstvu nimajo nobenih simptomov. Bolezen se v odrasli dobi prepozna preko genetskih testov, pogosto zaradi amenoreje (odsotnosti menstruacije). Ženske obolele s tem sindromom imajo v jedru telesnih celic trojni X kromosom, kar je posledica trisomije: odsotnosti disjunkcije kromosoma X pri mejotski delitvi. Dodaten X kromosom se ne prenaša na potomstvo, kljub temu pa lahko ženske s tem sindromom občutijo razne težave pri reprodukciji.

Swyerjev sindrom

Swyerjev sindrom je bolezen, pri kateri imajo XY osebki ženske značilnosti. Ljudje s to motnjo imajo ženske zunanje genitalije z normalno maternico in jajcevodom, vendar pa nimajo funkcionalnih gonad. Pri Swyerjevem sindromu, so bile odkrite mutacije SRY gena v Y kromosomu, ki daje navodila za izgradnjo regije Y proteina, ki definira spol. Ta protein je transkripcijski faktor, ki se veže na specifično regijo DNA in s tem kontrolira aktivnost določenih genov. Pri mutaciji ne pride do oblikovanja regije, ki determinira spol, zato se oboleli razvijejo v žensko kljub Y kromosomu. Pri nekaterih s tem sindromom so bile odkrite tudi mutacije NR5A1 in DHH genov. NR5A1 gen skrbi za produkcijo transkripcijskega faktorja imenovanega steroidogeni faktor 1. Ta protein sodeluje pri kontroli aktivnosti različnih genov, ki sodelujejo pri produkciji spolnih hormonov in pri razvoju moških spolnih značilnosti. Mutacije NR5A1 in DHH ohromijo proces moške spolne diferenciacije. Še ena vrsta mutacij je prisotna pri Swyerjevem sindromu in sicer mutacije NR0B1 gena. Ta gen podaja navodila za izgradnjo proteina DAX1, ta pa igra pomembno vlogo pri razvoju endokrinih tkiv, vključno z gonadami. DAX1 regulira hormonsko produkcijo in gene odgovorne za formacijo endokrinih tkiv. Prevelika količina DAX1 proteina prepreči formacijo moških reproduktivnih tkiv, kar zajema tudi testise in moške zunanje genitalije.

Sindrom drobljivega X

Sindrom drobljivega X, je X-vezana dominantna motnja z zmanjšano penetranco, ki je povezana z intelektualno in emocionalno nestabilnostjo (avtizem, umska zaostalost in problemi z učenjem). Sindrom povzroči utišanje transkripcije FMR1 gena, zaradi razširitve ponavljajočega zaporedja CGG v 50-netraslacijskem zaporedju. FMR gen producira FMRP - selektiven, RNA-vezavni protein, ki negativno regulira lokalno sintezo proteinov in dendritov. Posledica tega je reducirana moč sinaps, zaradi AMPA receptorja, ki kopiči abnormalnosti, te pa kasneje vodijo fenotipa drobljivega X.

Klinefelterjev sindrom (KS)

Klinefelterjev sindrom pomeni prisotnost dodatnega X kromosoma (XXY kariotip). Je najpogostejša s spolnim kromosomom povezana motnja in se pojavi pri enem od 600 živorojenih moških. Osebe s KS so za približno 6,2 cm višje, kot je običajno in imajo daljše okončine. Sekundarni spolni znaki se ne razvijejo popolnoma, pogosti sta manjša poraščenost in večje prsi, prav tako je zmanjšana proizvodnja testosterona. Pacienti so večinoma slabše plodni oz. neplodni, so normalno inteligentni, imajo pa slabše verbalne sposobnosti in vedenjske motnje. Pri njih se pogosteje pojavljajo rak dojke, diabetes in avtoimunske bolezni. Vzrok Klinefelterjevega sindroma je neuspešna ločitev kromosomov in je lahko očetovskega (50-60%) ali materinskega (40-50%) izvora. Do tega lahko pride med mejozo I, če se homologna kromosoma X in Y ne uspeta ločiti - nastane spermij z X in Y kromosomov. Ob oploditvi jajčeca (X kromosom), nastane potomec z XXY zapisom. Druga možnost, da pride do XXY zapisa je, če se v mejozi II pri ženski, sestrski kromatidi ne ločita. Po oploditvi XX jajčeca z Y spermijem, nastane potomec z XXY zapisom. Obstaja več variant kariotipov, ki vključujejo dodaten X kromosom, na primer XXXY, XXXXY, XXY. Moški s takšnimi kariotipi imajo podobne, a pogosto močneje izražene simptome, kot tisti s kariotipom XXY. Ko je prisoten dodaten X kromosom, je eden avtomatsko inaktiviran, a ne v celoti. Z naraščajočim številom X kromosomov, se tudi izražanje genov, ki so na njem, poveča.

Sindrom dvojnega Y (47, XYY)

Osebe s 47, XXY sindromom imajo v vsaki celici dodatno kopijo Y kromosoma. Moški s tem sindromom so do 15 cm višji, kot je običajno, sicer pa se telesno ne razlikujejo od drugih moških. Normalno se razvijejo in lahko imajo otroke. XYY sindrom je povezan z učnimi težavami, govorne in motorične sposobnosti se razvijejo nekoliko kasneje. Možne so vedenjske in čustvene težave, na primer agresija. Bolezen se pojavi pri enem od 1000 rojenih dečkov. Do dodatnega Y kromosoma pride zaradi neuspešne delitve kromosomov med anafazo II. Nastane spermij, ki vsebuje dodatno kopijo Y kromosoma in ob oploditvi normalnega jajčeca (X kromosom) nastane potomec z dodatnim Y kromosomom. V nekaterih primerih je lahko dodaten Y kromosom rezultat neuspešne delitve celice v postzigotni mitozi zgodnjega embrionalnega razvoja. V tem primeru lahko nastane 46, XY/47, XYY mozaik (nekatere celice vsebujejo 46, nekatere pa 47 kromosomov).

De La Chapelleov sindrom

Osebe z De La Chapelleovim sindromom imajo XX kariotip, moški fenotip in s tem moške spolne organe. Imajo nekoliko manjše testise in so sterilni, značilen je tudi nekoliko nižji IQ od običajnega in so nižji od XY moških. Do tega pride zaradi neenakega crossing over-ja med X in Y kromosomom med mejozo pri očetu. Rezultat je X kromosom, ki vsebuje normalen moški SRY gen. Ko le ta po oploditvi pride v stik z normalnim X kromosomom matere, nastane moški XX potomec.

Hemofilija A in B

Gre za okvaro genov za faktorja VIII in IX. Oba gena se nahajata na X kromosomu; gen za faktor VIII na koncu dolgega kraka (pri Xq28), gen za faktor IX pa bližje centromeri na dolgem kraku (pri Xq27). Hemofilija A in B sta X-vezani motnji, ki se prenašata preko žensk (kariotip 46, XX), kažeta pa se pri moških (kariotip 46, XY). Znani so redki primeri žensk s hemofilijo, do katerih je prišlo bodisi zaradi hkratne prisotnosti dveh okvarjenih genov za faktor VIII ali XI, bodisi zaradi naključne inaktivacije kromosoma X. Do hemofilije pride zaradi točkaste mutacije, delecije, insercije ali inverzije na genu za faktor VIII ali IX.

Barvna slepota

Geni za cone opsinov , ki sprejemajo svetlobo dolgih valovnih dolžin (L) in srednjih valovnih dolžin (M) se nahajajo na X kromosomu na Xq28. Ljudje z normalnim barvnim vidom imajo več kot eno kopijo L in M gena. L in M gen sta med sabo zelo podobna, njuna nukleotidna sekvenca je 98% enaka, zato sta bolj dovzetna za neenake homologne rekombinacije, ki so pogost vzrok okvarjenega vida. Ker se M in L gen nahajata na X kromosomu, so ženske z enim okvarjenim X kromosomom prenašalke. Da bi zbolele, bi morale imeti oba X kromosoma okvarjena, verjetnost za to pa je 0,25%. Moški z okvarjenim X kromosomom je barvno slep.

Viri

• C. N. Weingarten in S. E. Jefferson. Sex chromosomes: Genetics, Abnormalities, and disorders. Nova Science Publishers, 2009. ISBN 978-1-60741-304-2
• Augui S., Elphege, P. N., Heard, E. Regulation of X-chromosome inactivation by the X-inactivation centre. Nature Reviews, Genetics, 2011, letn. 12, str. 429-442
• Sekido,R. A transcriptional activator of mammalian testis determination. The international Journal of Biochemistry & Cell Biology, 2010, letn. 42, str. 417-420
• Genetics Home Reference, Swyer syndrome [online], [citirano: 19. april 2014, 16.43], Dostopno na spletnem naslovu: http://ghr.nlm.nih.gov/condition/swyer-syndrome
• Virginia P. Sybert, M.D in Elizabeth McCauley, Ph.D. Turner's syndrome. The New England Journal of Medicine, 2004, letn. 351, str. 1227-38.
• Visootsak J, Graham JM. Klinefelter syndrome and other sex chromosomal aneuploidies. Orphanet J Rare Dis. 2006;1(1):42. doi:10.1186/1750-1172-1-42
• 47, XYY syndrome [online], [citirano: 19. April 2014, 9.43], Dostopno na spletnem naslovu: http://ghr.nlm.nih.gov/condition/47xyy-syndrome