MOLEKULARNE MECHANIZMY DETERMINACJI PŁCI Anna C. Majewska EFEKT KOŃCOWY Po zakończeniu seminarium powinieneś umieć: omówić chromosomowe mechanizmy determinacji płci, omówić środowiskowy mechanizm determinacji płci, wyjaśnić proces determinacji płci u człowieka, scharakteryzować chromosomy płci u człowieka i wyjaśnić proces lionizacji, omówić proces różnicowania płci u człowieka oraz zaburzenia rozwoju płci, scharakteryzować aberracje liczbowe chromosomów płci oraz ich skutki. Determinacja i różnicowanie płci u organizmów euseksualnych 1 składa się z szeregu następujących po sobie etapów, które podlegają kontroli genetycznej. Mimo dużego postępu, molekularne i biochemiczne mechanizmy determinacji i różnicowania płci u zwierząt nie są jeszcze w pełni poznane. Chromosomowy mechanizm determinacji płci Płeć u gatunków rozdzielnopłciowych często związana jest z dymorfizmem chromosomów. U organizmów diploidalnych w kariotypie występują autosomy i chromosomy płci (heterochromosomy, allosomy). U wszystkich ssaków, także u człowieka oraz u niektórych owadów istnieje powszechnie znany układ chromosomów XX-XY; zawierają w komórkach somatycznych XX, a XY; wszystkie komórki jajowe zawierają chromosom X, natomiast połowa plemników posiada chromosom X, a druga połowa chromosom Y. U wielu owadów istnieje inny układ XX-XO; w tym przypadku zawierają także XX, a XO. Zatem w obu powyższych układach samice określa się jako homogametyczne (komórki jajowe są takie same - posiadają chromosom X), a samce jako heterogametyczne (plemniki są dwojakiego rodzaju - posiadają X lub Y albo X lub O). Istnieje jeszcze jeden główny układ chromosomów określających płeć u ptaków, motyli i niektórych ryb; w tym układzie są heterogametyczne, a są homogametyczne; w celu uniknięcia nieporozumień, chromosomy płci określa się jako Z i W; są ZW, a ZZ. Mimo tych różnic, mechanizm determinacji płci u ptaków i ssaków jest bardzo podobny, ponieważ płeć jest determinowana genetycznie. Środowiskowy mechanizm determinowania płci Wydaje się, że czynniki środowiskowe nie wpływają na determinację płci u ptaków. Ostatnio wykazano jednak, że podawanie kurczakom w trakcie wczesnego rozwoju embrionalnego inhibitorów aromatazy 2 blokuje aktywność tego enzymu i wytwarzanie estrogenu, co prowadzi do zmiany kierunku rozwoju genotypowych samic w samce. Determinacja płci u gadów i płazów jest mniej wyspecjalizowany niż u ssaków i ptaków, ponieważ podlega genetycznej i środowiskowej kontroli. Dotychczas determinację płci zależną od temperatury wykazano u wielu gatunków żółwi, kilkunastu gatunków jaszczurek i u wszystkich badanych gatunków krokodyli; np. z jaj żółwia morskiego inkubowanych w temperaturze 30-35ºC wylęgają się samice, natomiast z jaj inkubowanych w niższej temperaturze (20-22ºC) wylegają się samce. Odwrotna sytuacja jest u aligatorów - wyższa tempera- 1 Organizmy euseksualne - organizmy wykazujące regularny cykl kariogamii i mejozy. 2 Aromataza - enzym przekształcający testosteron w estradiol. 1
tura (33ºC) powoduje powstawanie samców, a niższa (30ºC) samic. Mechanizm determinacji płci u ryb jest wieloczynnikowy i skomplikowany. Proces determinacji i różnicowania płci u niższych kręgowców (ryb, płazów i gadów) może ulec zmianie pod wpływem działania czynników środowiskowych (egzogennych hormonów i temperatury), niezależnie od płci genotypowej. Labilność determinacji płci u niższych kręgowców może prowadzić do wyginięcia wielu gatunków tych zwierząt, ponieważ środowisko (szczególnie ekosystemy wodne) jest skażone termicznie i zanieczyszczone estrogenami (m.in. wskutek powszechnego stosowania środków antykoncepcyjnych). Determinacja płci u człowieka Płeć potomka jest zdeterminowana w momencie zapłodnienia; jeżeli komórka jajowa zostaje zapłodniona plemnikiem z chromosomem X, powstaje osobnik żeński, jeżeli jest zapłodniona plemnikiem z chromosomem Y - osobnik męski. Zatem u człowieka fenotyp płci męskiej jest ściśle uzależniony od obecności chromosomu Y. Przy braku chromosomu Y fenotyp rozwija się w kierunku żeńskim niezależnie od liczby chromosomów X. Sygnałem wyzwalającym determinację płci męskiej jest chromosom Y i znajdujący się na nim gen SRY. Gen ten został zidentyfikowany i wyizolowany w 1991 roku. Gen SRY jest nadrzędnym genem regulatorowym, który już w okresie płodowym aktywuje kaskadę genów powodujących wykształcenie męskich narządów płciowych, a te z kolei decydują o pozostałych cechach płciowych. U osobników żeńskich XX z powodu braku sygnału wyzwalającego determinacje płci, rozwój przebiega w kierunku żeńskim. Istnieją jednak istnieją od tej reguły determinacji płci u człowieka. Najważniejszym takim wyjątkiem są mężczyźni XX (zdarza się 1:20 000), zupełnie normalni, u których nietypowy zestaw chromosomów płci zostaje stwierdzony wtedy, kiedy okazuje się, że nie są zdolni do posiadania potomstwa. Istnieją też kobiety XY. Badania tych wyjątkowych układów odbiegających od zasady determinowania płci u człowieka wykazały, że w procesie spermatogenezy u mężczyzn czasami zdarza się nieprawidłowy crossing-over w wyniku którego, odcinek z genem SRY zostaje przemieszczony z chromosomu Y do X; zmiana ta może być przyczyną powstania niepłodnych mężczyzn XX (z genem SRY) i kobiet XY (Y bez genu SRY). Charakterystyka chromosomów płci człowieka Chromosom Y jest akrocentryczny i nie posiada satelitów. Na krótkim ramieniu chromosomu Y znajduje się gen SRY, który koduje czynnik determinujący rozwój jąder (TDF zwany również SRY). TDF - to wysoce konserwatywne białko, które przyłączając się do określonych genów reguluje ilość produkowanego RNA, a tym samym białka. Białko kodowane przez gen SRY zapoczątkowuje proces różnicowania płci. Przyjęto, że gen działa na zasadzie włączania i wyłączania genów, od których zależy kształtowanie się płci. Gen SRY stwierdzono u wszystkich zbadanych ssaków. Na chromosomie Y znajduje się również gen determinujący czynnik zgodności tkankowej H-Y. Nie jest on determinantem płci, jednak obecność antygenu H-Y 3 można stwierdzić tylko na powierzchni leukocytów mężczyzn, nigdy kobiet. Leukocyty mężczyzn z dwoma chromosomami Y (47,XYY i 48,XXYY - zespół Klinefeltera) posiadają na powierzchni więcej antygenu H-Y niż leukocyty normalnych mężczyzn. Ostatnio zidentyfikowano na chromosomie Y 86 genów, które przypuszczalnie odpowiadają za wzrost i sylwetkę ciała mężczyzn oraz biorą udział w rozwoju raka męskich narządów płciowych. Chromosom X jest średniodługi i submetacentryczny; zawiera 1098 genów, z których aż 3 Antygen H-Y = powierzchniowy komponent komórek samców, odpowiedzialny za odrzucanie międzyszczepowych przeszczepów od samców do samic; jest markerem genetycznym wskazującym na różnicę genetyczną między samcami i samicami z tego samego wysoce wsobnego szczepu; produkt genu, którego podstawową funkcją jest kierowanie morfogenezą niezróżnicowanych zarodkowych gonad kręgowców. 2
99 genów jest związanych z funkcjonowaniem jąder. Część genów odpowiada za cechy ilościowe (np. za formowanie zębów, kości, być może za tkankę tłuszczową i ciężar ciała), ale funkcja wielu genów nie jest jeszcze znana. W komórkach somatycznych posiadających dwa chromosomy X, jeden replikuje później niż drugi. Dr Mary Lyon i Liane Russell niezależnie od siebie założyły, że później replikujący chromosom X jest inaktywowany we wczesnym rozwoju zarodkowym (12-16 dniu po zapłodnieniu) i jest sprawą przypadku, który z dwóch chromosomów X - ojcowski lub matczyny - jest inaktywowany. Raz przebyty proces inaktywacji chromosomu X w komórce embrionalnej powoduje, że chromosom ten pozostaje nieaktywny we wszystkich komórkach potomnych. To zjawisko nazywane jest lionizacją. U kobiet proces inaktywacji obejmuje jedynie 75% genów na chromosomie X; 10% genów jest aktywnych w określonym czasie, a pozostałe 15% genów nie traci swej aktywności. Wynika z tego, że samice ssaków są mozaikami w odniesieniu do genów zlokalizowanych na chromosomie X. Mozaikowatość trudno dostrzec u kobiet, natomiast jest widoczna u szylkretowych kotów (sierść jest mozaiką rudo-czarnobiałych plam; gen determinujący rudą lub czarną barwę jest na chromosomie X; białą barwę sierści determinuje gen zlokalizowany na autosomie). Inaktywacja jednego z dwóch chromosomów X u samic ssaków jest odwracalna, ponieważ samice przekazują potomstwu swoje chromosomy X w postaci funkcjonalnej. Reaktywacja matczynego chromosomu X następuje w linii komórkowej przed oogenezą, gdyż chromosomy X w oogoniach są już aktywne. Różnicowanie płci Należy odróżniać pojęcie determinacji płci od pojęcia różnicowania płci. Różnicowanie płci, czyli rozwój w kierunku określonej płci, obejmuje wiele następujących po sobie etapów, które podlegają kontroli genetycznej. Rozwój płci męskiej u ssaków (w tym i u człowieka) wymaga indukcji przez określone geny. Od płci chromosomalnej uzależniony jest dalszy przebieg rozwoju, który decyduje o hormonalnym zróżnicowaniu gonad, a to z kolei o dalszym różnicowaniu narządów płciowych. Jest to proces złożony, który polega na uaktywnianiu genów leżących na chromosomach płci i na autosomach. Gonady, przewody wyprowadzające oraz zewnętrzne narządy płciowe rozwijają się w niezależnych etapach. Płeć genetyczna (chromosomalna) wiąże się ściśle z pojęciem determinacji płci. Bezpośrednio i pośrednio genetycznie zróżnicowana jest znaczna liczba cech wykazujących dymorfizm płciowy; za te cechy odpowiadają geny zawarte w autosomach. Płeć gonadalna (gruczołowa) - w końcu 6 tygodnia ciąży, w niezróżnicowanych gonadach można wyróżnić część rdzeniową (wewnętrzną) i korową (zewnętrzną).w zarodkach XY produkt genu SRY (TDF) stymuluje rdzeniową część niezróżnicowanych gonad doprowadzając do rozwoju jąder. Jeżeli brakuje genu SRY z korowej części niezróżnicowanych gonad rozwijają się jajniki. Zatem o rozwoju gonad w kierunku określonej płci decydują chromosomy płci. Płeć genetyczna XX jest zwykle powiązana z jajnikową płcią gonadalną, a XY - z jądrową płcią gonadalną. Gonady należą do pierwszorzędowych cech płciowych. Dalsze różnicowanie wewnętrznych i zewnętrznych narządów płciowych, które decyduje o płci genitalnej (narządowej) nie zależy bezpośrednio od heterochromosomów. Embrionalne gonady produkują hormony, które wpływają na rozwój wewnętrznych i zewnętrznych narządów płciowych (drugorzędowe cechy płciowe). W zarodkach o płci genetycznej męskiej, pod wpływem testosteronu pochodzącego z komórek śródmiąższowych jądra płodowego (komórki Leydiga) przewody Wolffa rozwijają się nasieniowody, pęcherzyki nasienne i gruczoł krokowy. Natomiast przewody Müllera zanikają pod wpływem wydzielanej przez komórki Sertoliego substancji hamującej (MIS), zwanej także hormonem antymüllerowskim. Również narządy zewnętrzne są początkowo niezróżnicowane. Pod wpływem 5α-reduktazy następuje konwersja testosteronu w dihydrotestosteron (DHT), który swoiście oddziałuje na niezróżnicowane struktury zewnętrzne, powodując roz- 3
wój zewnętrznych narządów płciowych męskich; i tak: guzek moczowo-płciowy rozwija się w żołądź prącia, wały moczowo-płciowe zrastają się tworząc mosznę, a fałdy moczowopłciowe tworzą prącie. Narządy są całkowicie rozwinięte w 14 tygodniu ciąży. W zarodkach o płci genetycznej żeńskiej przy braku chromosomu Y lub genu SRY jądra się nie rozwijają. Gonada staje się jajnikiem w 50 dniu rozwoju. Nie wiadomo czy inicjacja rozwoju jajnika jest procesem czynnym. Przy braku testosteronu lub, gdy jest on nieczynny, przewody Müllera kontynuują swój rozwój i stają się jajowodami, macicą i górną częścią pochwy. Przy braku androgenów niezróżnicowane narządy płciowe zewnętrzne wykazują brak zrostu w linii pośrodkowej, zatem guzek moczowo-płciowy rozwija się w łechtaczkę, wały moczowo-płciowe stają się wargami sromowymi większymi, a fałdy moczowo-płciowe stają się wargami sromowymi mniejszymi. Żeńskie narządy płciowe zewnętrzne są rozwinięte już w 14-16 tygodniu ciąży. Płeć somatyczna odpowiada trzeciorzędowym cechom płciowym, które zależą od hormonów produkowanych przez gruczoły płciowe. Cechy te obejmują ilość i rozmieszczenie owłosienia na twarzy, okolicy łonowej, pod pachami i na reszcie ciała, wymiarów miednicy, ogólnych proporcji ciała, rozmieszczenie tkanki tłuszczowej w okolicy bioder i ud, rozwoju piersi u kobiet oraz dłuższej krtani i niższego głosu u mężczyzn. Płeć psychosocjologiczną określa poczucie przynależności płciowej i orientacji psychoseksualnej człowieka. Uważa się, że testosteron działa również na centralny układ nerwowy (tzw. imprinting mózgowy ). Z powodu braku testosteronu lub receptora andogenowego, orientacja seksualna jest żeńska. U większości osób płeć genetyczna, gruczołowa, narządowa i somatyczna jest prawidłowa. Zdarza się jednak niewłaściwa identyfikacja seksualna, polegająca na identyfikowaniu się z płcią przeciwną. Towarzyszy temu pragnienie operacyjnego przekształcenia cech własnej płci na płeć odmienną; takie zaburzenie nazywane jest transseksualizmem. Z kolei transwestytyzm (eonizm, metatropizm) polega na upodobaniu noszenia strojów płci odmiennej i często wiąże się z homoseksualizmem. Zaburzenia rozwoju płci Prawidłowe wykształcenie płci zdeterminowanie jest działaniem wielu genów. Mutacje lub aberracje chromosomowe mogą prowadzić do częściowego lub całkowitego zaburzenia różnicowania cech płciowych. Obojnactwo (hermafrodytyzm) to zaburzenia rozwoju płci polegające na powstaniu niezgodności między płcią genetyczną, gonadalną, genitalną i somatyczną. Najczęściej powstają pośrednie formy budowy narządów płciowych między żeńskimi i męskimi lub część narządów jest męska, a część żeńska. Wyróżniamy obojnactwo prawdziwe i rzekome. U osób z obojnactwem prawdziwym zewnętrzne narządy płciowe są trudne do zidentyfikowania. Genotyp w 2/3 przypadków jest 46,XX, a w 1/3 46XX/47XXY (mozaiki). Wszyscy są bezpłodni. Obojnactwo rzekome polega na niecałkowitym zróżnicowaniu narządów płciowych wewnętrznych lub zewnętrznych, w kierunku męskim albo żeńskim u osoby posiadającej jeden rodzaj gonady. Wyróżniamy obojnactwo rzekome męskie i żeńskie. Obojnactwo rzekome męskie (zespół feminizujących jąder) powstaje u osoby płci genetycznej męskiej, posiadającej jądra, lecz u której narządy płciowe nie rozwinęły się dostatecznie w kierunku męskim. Przyczyną jest mutacja genu receptora androgenowego. Obojnactwo rzekome żeńskie występuje u osoby o płci genetycznej żeńskiej, posiadającej jajniki, ale w czasie życia płodowego doszło do wirylizacji (maskulinizacji), najczęściej na skutek wrodzonego przerostu nadnerczy. Nasilenie maskulinizacji jest zróżnicowane, ale może być na tyle silne, aby spowodować rozwój normalnego prącia. Aberracje liczbowe chromosomów płci Aberracje chromosomowe są przyczyną ok. 50% samoistnych poronień w początkowym 4
okresie ciąży. Aberracje chromosomowe dzielą się na dwa podstawowe typy - liczbowe i strukturalne. Aberracje liczbowe są przyczyną aneuploidii (dodanie lub utrata jednego lub rzadko dwóch chromosomów) lub poliploidii (zwielokrotnienie całego haploidalnego zestawu chromosomów). Poliploidia u człowieka jest spotykana niezwykle rzadko i dotyczy z reguły spontanicznie poronionych płodów lub martwo urodzonych dzieci. Tylko nieliczne noworodki żyły przez kilka godzin. W literaturze znajduje się kilkadziesiąt opisów triploidii (69,XXY, 69,XYY i 69,XXX) i tylko kilka przypadków tetraploidii (92,XXXX i 92,XXYY). Występowanie triploidii lub tetraploidii stwierdza się u około 15% wszystkich spontanicznie poronionych płodów. Triploidię stwierdza się u 20% zarodków poronionych samoistnie we wczesnym okresie ciąży. Z kolei tetraploidia występuje u około 6% zarodków poronionych samoistnie z reguły w pierwszym trymestrze ciąży; niezmiernie rzadko dochodzi do utrzymania ciąży, a tetraploidalny płód wykazuje znaczne upośledzenie rozwoju fizycznego. Pochodzenie ludzkich poliploidów jest trudne do wytłumaczenia. Uważa się, że triploidia może być wynikiem zaburzeń podziału mejotycznego gamet (np. powstaje diploidalne jajo, które jest zapłodnione przez haploidalny plemnik lub odwrotnie nieprawidłowy, diploidalny plemnik zapładnia haploidalne jajo), albo też jajo zostaje zapłodnione przez 2 plemniki (dispermia). Tetraploidia powstaje wówczas, gdy brak jest pierwszego podziału zygoty, co prowadzi do podwojenia liczby chromosomów bezpośrednio po zapłodnieniu lub - kiedy jajo jest zapłodnione przez 3 plemniki (polispermia); nie ma jednak dostatecznych dowodów na istnienie polispermii u człowieka. Warto jednak nadmienić, że poliploidia jest zjawiskiem normalnym w niektórych komórkach człowieka, np. w megakariocytach 4 jądra są poliploidalne i liczba chromosomów równa jest 8-16-krotnej liczbie haploidalnej. Komórki tetraploidalne spotyka się także w regenerującej wątrobie. Aneuploidia występuje wśród ludzi i przypadki te dotyczą autosomów i chromosomów płci. Aneuploidia chromosomów płci stanowi 33% wszystkich nieprawidłowości chromosomowych. W większości przypadków dochodzi do wczesnego poronienia trisomicznych zarodków. Tylko trisomie autosomalne chromosomów 13 (zespół Patau), 18 (zespół Edwardsa) i 21 (zespół Dawna) obserwowane są wśród żywo urodzonych noworodków. Natomiast trisomie chromosomów płci ( kariotyp 47,XXX, 47,XXY, 47,XYY) dają lżejsze objawy kliniczne i większość można obserwować u żywo narodzonych noworodków. Monosomie autosomów są letalne już dla zygoty, ale monosomię chromosomu X (45,X) stwierdza się często we wcześnie poronionych embrionach oraz u osób z zespołem Turnera. Aneuploidie chromosomów płci dają zazwyczaj mniej nasilone następstwa fenotypowe, co prawdopodobnie jest konsekwencją procesu lionizacji. Jednak inaktywacja dodatkowych chromosomów X nie jest całkowita i wszystkie aneuploidy ujawniają różnego stopnia zaburzenia fizyczne i zahamowanie rozwoju psychicznego. Zespół Klinefeltera: osoby o fenotypie męskim, a kariotyp wykazuje najczęściej obecność dodatkowego chromosomu X (47,XXY); występują też kariotypy 48,XXYY i 49,XXXYY. U osób z tym zespołem występuje niewielkie opóźnienie umysłowe, przerost sutków, słabe umięśnienie, bezpłodność (brak plemników w ejakulacie) oraz zwiększone ryzyko rozwoju raka sutka i schizofrenii. Częstość występowania zespołu Klinefeltera wynosi 1 na 800 żywo urodzonych niemowląt płci męskiej i rośnie z wiekiem matki, co sugeruje raczej nondysjunkcję (brak segregacji) chromosomów XX w dojrzewających oocytach, niż XY w czasie spermatogenezy. Osoby płci żeńskiej poli-x: ok. 1 na 800 kobiet jest trisomikiem (47,XXX). Większość kobiet nie ma żadnych objawów klinicznych, a u pozostałych stwierdza się skąpe miesiączkowanie i wczesną menopauzę oraz zwiększone ryzyko wystąpienia schizofrenii. Kobiety mogą 4 Megakariocyt - komórka, z której powstają płytki krwi. 5
zachodzić w ciążę i rodzić normalne dzieci. Przyczyną są zaburzenia w produkcji gamet żeńskich, co nasila się w miarę narastania wieku matki. Nieliczne kobiety są tetrasomiczne (48,XXXX) lub pentasomiczne (49,XXXXX); objawy są podobne jak u trisomicznych kobiet, ale wraz ze wzrostem liczby chromosomów X obniża się inteligencja. Osoby płci męskiej poli-y: osoby o fenotypie męskim, cechujące się wysokim wzrostem i silnymi zmianami skórnymi twarzy (trądzik) w okresie dojrzewania. Częstość występowania wynosi 0.7/1000. Początkowe doniesienia wskazywały, że osoby o kariotypie 47,XYY charakteryzują się nasiloną agresywnością, podatnością na frustracje, trudnościami w nawiązywaniu kontaktu oraz tendencją do popełniania przestępstw kryminalnych. Ten pogląd podważono, ponieważ masowe badania wykazały, że osoby z tą anomalią mają prawidłowe zachowanie, chociaż bywają nadpobudliwi i nieopanowani; upośledzona samokontrola może jednak prowadzić do zachowań kryminalnych. Przyczyną tej anomalii jest brak segregacji chromosomów w 2 podziale mejotycznym podczas spermatogenezy (nie koreluje z wiekiem ojca). Monosomia chromosomu X jest drugim pod względem częstości występowania zespołem zmian wywoływany aneuploidią; stwierdzana jest często w poronionych embrionach oraz u osób z zespołem Turnera. Osoba z zespołem Turnera jest fenotypowo żeńska, co wynika z kariotypu 45,X. Zespół Turnera jest niezależny od wieku matki i najprawdopodobniej nie polega na błędzie w mejotycznym rozdziale chromosomów, lecz na pomejotycznej utracie X lub Y w czasie spermatogenezy. Zespół Turnera stwierdzany jest u 2-3 dziewczynek na 10 tysięcy żywo urodzonych. Ta niska częstość związana jest z dużą śmiertelnością wewnątrzmaciczną płodów (około 98%). Objawy: niski wzrost i szmery w sercu; pierwotny brak miesiączki, brak drugorzędowych cech płciowych; większość jest bezpłodna; cechują się prawidłowym rozwojem umysłowym, ale mogą mieć zburzenia w orientacji przestrzennej. Zalecane piśmiennictwo i strony internetowe: 1. Passarge E. Genetyka. Ilustrowany przewodnik. PZWL, 2004. 2. Drewa G., Ferenc T. Podstawy genetyki dla studentów i lekarzy. Urban & Partner, 2003. 3. Miller D. Sex determination: insights from the human and animal models suggest that mammalian Y chromosome is uniquely specialised for the male s benefit. The Journal of Men s Health and Gender. v. 1, nos. 2-3, 170-181, 2004. 4. http://www.nature.com/nature/focus/ychromosome/index.html 6