Φυλετικό χρωμόσωμα

Ένα φυλετικό χρωμόσωμα είναι ένας τύπος χρωμοσώματος που συμμετέχει στον καθορισμό του φύλου. Οι άνθρωποι και τα περισσότερα άλλα θηλαστικά έχουν δύο χρωμοσώματα φύλου, το X και το Υ. Τα θηλυκά έχουν δύο χρωμοσώματα Χ στα κύτταρα τους, ενώ τα αρσενικά έχουν ένα χρωμόσωμα X και ένα Y. Όλα τα ωάρια περιέχουν ένα χρωμόσωμα Χ, ενώ τα σπερματοζωάρια περιέχουν ένα χρωμόσωμα Χ ή Υ. Αυτή η ιδιαιτερότητα δείχνει ότι οι άρρενες καθορίζουν το φύλο του απογόνου όταν πραγματοποιείται η γονιμοποίηση.

Φυλετικά χρωμοσώματα θήλεος αριστερά, άρρενος δεξιά. Τα δύο φυλετικά χρωμοσώματα διαφέρουν στο μέγεθος, με το χρωμόσωμα Χ να είναι πολύ μεγαλύτερο από το χρωμόσωμα Υ, ενώ φέρουν επίσης διαφορετικά γονίδια.

Η ανακάλυψη των φυλετικών χρωμοσωμάτων έγινε το 1905 από τη Νέτι Στίβενς και τον Έντμουντ Μπίτσερ Ουίλσον σε ανεξάρτητες μελέτες. Από σχολαστικές αναλύσεις αρσενικών και θηλυκών χρωμοσωμάτων εντόμων, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι, παρόλο που τα περισσότερα χρωμοσώματα ήταν παρόντα σε ίσους αριθμούς τόσο στους άνδρες όσο και στις γυναίκες, υπήρχαν ένα ή δύο επιπλέον χρωμοσώματα που εκπροσωπούνταν άνισα στα δύο φύλα. Αναλύσεις επιπρόσθετων ειδών με την πάροδο των ετών αποκάλυψαν ότι οι χρωμοσωμικές διαφορές ευθύνονται κυρίως για τον καθορισμό του φύλου στα περισσότερα ζώα.

Διαφοροποίηση

Καρυότυπος με αρσενικά ανθρώπινα χρωμοσώματα ΧΥ.

Στους ανθρώπους, κάθε κυτταρικός πυρήνας περιέχει 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων, συνολικά 46 χρωμοσώματα. Τα πρώτα 22 ζεύγη ονομάζονται αυτοσωμικά. Τα αυτοσωμικά χρωμοσώματα είναι ομόλογα χρωμοσώματα, δηλαδή χρωμοσώματα που περιέχουν τα ίδια γονίδια (περιοχές DNA) με την ίδια σειρά κατά μήκος των χρωμοσωμικών βραχιόνων τους. Τα χρωμοσώματα του 23ου ζεύγους ονομάζονται φυλετικά και αποτελούνται από δύο χρωμοσώματα Χ στα περισσότερα θηλυκά, και ένα χρωμόσωμα Χ και ένα χρωμόσωμα Υ στα περισσότερα αρσενικά. Τα θηλυκά έχουν συνεπώς 23 ομόλογα ζεύγη χρωμοσωμάτων, ενώ τα αρσενικά έχουν 22. Τα χρωμοσώματα Χ και Υ έχουν μικρές περιοχές ομολογίας που ονομάζονται ψευδοαυτοσωμικές περιοχές.

Το χρωμόσωμα Χ υπάρχει πάντα ως το 23ο χρωμόσωμα στο ωάριο, ενώ είτε ένα χρωμόσωμα Χ είτε ένα Υ μπορεί να υπάρχει σε ένα μεμονωμένο σπερματοζωάριο. Στην αρχή της γυναικείας εμβρυϊκής ανάπτυξης, σε κύτταρα εκτός των κυττάρων ωαρίων, ένα από τα χρωμοσώματα Χ απενεργοποιείται μερικώς, τυχαία και μόνιμα. Σε ορισμένα κύτταρα απενεργοποιείται το Χ χρωμόσωμα μητρικής προέλευσης, ενώ σε άλλα το χρωμόσωμα Χ πατρικής προέλευσης. Αυτό διασφαλίζει ότι και τα δύο φύλα έχουν πάντα ακριβώς ένα λειτουργικό αντίγραφο του χρωμοσώματος Χ σε κάθε κύτταρο του σώματος. Το απενεργοποιημένο χρωμόσωμα Χ καταστέλλεται με τη βοήθεια της ετεροχρωματίνης που συμπυκνώνει το DNA και αποτρέπει την έκφραση των περισσότερων γονιδίων. Αυτή η συμπύκνωση ρυθμίζεται από την πρωτεϊνη PRC2.

Καθορισμός του φύλου

Όλοι οι διπλοειδείς οργανισμοί λαμβάνουν τα μισά από τα φυλετικά χρωμοσώματά τους από τον καθένα από τους δύο γονείς τους. Τα θηλυκά είναι ΧΧ, ενώ τα αρσενικά ΧΥ. Ωστόσο, ένα μικρό ποσοστό ανθρώπων έχει διαφορετική σεξουαλική ανάπτυξη, γνωστή ως αληθής ερμαφροδιτισμός. Στον αληθή ερμαφροδιτισμό οι δύο γονάδες (ωοθήκες και όρχεις) μπορεί να είναι ξεχωριστά ή μπορεί να συνδυαστούν σε κάτι που λέγεται ωοθηκόρχεις. Τα προσβεβλημένα άτομα μπορεί να έχουν φυλετικά χρωμοσώματα και των δύο φύλων, με καρυότυπο 46,ΧΧ, 46,ΧΥ, χίμαιρα 46,ΧΧ/46,ΧΥ ή άλλα μωσαϊκά των φυλετικών χρωμοσωμάτων. Τέλος, η διαφοροποίηση μπορεί να προκύψει από την έκθεση, συχνά στη μήτρα, της μητέρας σε χημικές ουσίες που διαταράσσουν τη φυσιολογική λειτουργία των φυλετικών χρωμοσωμάτων, τα οποία στην περαιτέρω ανάπτυξη του εμβρύου προκαλούν διαφοροποίηση είτε σε εξωτερικά είτε σε εσωτερικά γενετικά όργανα.

Προηγούμενες θεωρίες

Από την ανακάλυψη του απενεργοποιημένου χρωμοσώματος Χ μέσω της έρευνας σε γάτες Calico, υποστηρίχθηκε ότι η απενεργοποίηση αυτή παίζει ρόλο στον προσδιορισμό του φύλου στον άνθρωπο. Αρχικά, υπήρχαν πολλές θεωρίες για το πώς ακριβώς η απενεργοποίηση επηρεάζει το φύλο. Για να κατανοηθεί μια τέτοια θεωρία, λήφθηκε υπόψη το ακόλουθο σενάριο: μια ακολουθία DNA που σχετίζεται με τη δημιουργία ενός ανδρικού χαρακτηριστικού ρυθμίζεται από μια ρυθμιστική ακολουθία DNA. Εάν αυτή η ρυθμιστική ακολουθία εμφανίζεται τόσο στο χρωμόσωμα Χ όσο και στο Υ και εάν ο αριθμός αντιγράφων της αλληλουχίας στο χρωμόσωμα Υ είναι σημαντικά μεγαλύτερος από ό,τι στο χρωμόσωμα Χ, τότε τα αντρικά χαρακτηριστικά του Υ χρωμοσώματος θα μπορούσαν να αποδοθούν σε αυτόν τον υψηλότερο αριθμό αντιγράφων. Από την άλλη πλευρά, εάν το χρωμόσωμα Υ έχει τον ίδιο αριθμό αντιγράφων αυτής της αλληλουχίας με το χρωμόσωμα Χ, είναι δύσκολο να γίνει ο καθορισμός των δύο φύλων υπό τέτοιες συνθήκες, επειδή τότε οι γονότυποι XX και XY δεν θα μπορούσαν να διαφοροποιηθούν. Αυτή η φαινομενική δυσκολία μπορεί να επιλυθεί εάν η απενεργοποίηση χρωμοσώματος Χ καθιστά τα ρυθμιστικά καθώς και τα δομικά γονίδια μη λειτουργικά και συνεπώς επιφέρει σημαντική μείωση του πραγματικού αριθμού αντιγράφων των αλληλουχιών DNA που συνδέονται με το χρωμόσωμα Χ που σχετίζονται με τον καθορισμό του φύλου. Η απενεργοποίηση χρωμοσωμάτων Χ προκαλεί, με αυτόν τον τρόπο, μια κρίσιμη ανισότητα μεταξύ των εμβρύων ΧΧ και ΧΥ και ότι ο καθορισμός του φύλου στον άνθρωπο είναι συνέπεια αυτής της ανισότητας.

Σύγχρονες θεωρίες

Σημείο χρωμοσώματος Υ στο οποίο βρίσκεται το γονίδιο SRY.

Οι θεωρίες όπως οι παραπάνω είναι πλέον περιττές. Στο παρελθόν δεν υπήρχαν πολλά στοιχεία που να υποστηρίζουν την ιδέα ότι η απενεργοποίηση του χρωμοσώματος Χ συμβαίνει λόγω αντιστάθμισης δοσολογίας. Προς το παρόν, πιστεύεται ότι ένα χρωμόσωμα Χ σε γυναίκες είναι απενεργοποιημένο (συμπυκνωμένο σε σωμάτιο Barr έτσι ώστε να μην είναι δυνατή η πρόσβαση στις αλληλουχίες DNA του) για να υπάρχει μόνο ένα λειτουργικό χρωμόσωμα Χ τόσο στους άνδρες όσο και στις γυναίκες, εξισώνοντας έτσι τη δοσολογία.

Η ρύθμιση της δοσολογίας δεν είναι το μόνο που υπάρχει στον προσδιορισμό του φύλου. Υπάρχει ένα γονίδιο στο χρωμόσωμα Υ που έχει ρυθμιστικές αλληλουχίες που ελέγχουν τα γονίδια που κωδικοποιούν τα αρσενικά χαρακτηριστικά. Αυτό το γονίδιο ονομάζεται γονίδιο SRY. Η προβολή της ακολουθίας SRY στον προσδιορισμό του φύλου ανακαλύφθηκε όταν μελετήθηκε ο γονότυπος ανδρών XX (σ.σ. τα άτομα αυτά είχαν αντρικό φαινότυπο αλλά γυναικείο γονότυπο ΧΧ). Μετά την εξέταση, ανακαλύφθηκε ότι η διαφορά μεταξύ μιας γυναίκας XX και ενός άνδρα XX ήταν ότι οι γυναίκα δεν είχε το γονίδιο SRY. Θεωρήθηκε ότι στον άντρα XX το SRY μεταφέρθηκε κατά λάθος σε ένα χρωμόσωμα Χ στο ζεύγος XX κατά τη διάρκεια της μείωσης.

Γενετικές διαταραχές

Φυλοσύνδετη κληρονομικότητα, όπου η μητέρα είναι ο φορέας. Το επιβλαβές γονίδιο εδράζει στο χρωμόσωμα Χ.

Φυλοσύνδετη κληρονομικότητα όπου ο πατέρας είναι ο φορέας. Το επιβλαβές γονίδιο εδράζει στο χρωμόσωμα Χ.

Φυλοσύνδετη κληρονομικότητα, όπου ο πατέρας νοσεί. Το επιβλαβές γονίδιο εδράζει στο χρωμόσωμα Υ.

Τα γονίδια που μεταφέρονται από οποιοδήποτε από τα δύο φυλετικά χρωμοσώματα ονομάζονται φυλοσύνδετα. Οι φυλοσύνδετες ασθένειες μεταδίδονται μέσω χρωμόσωματος Χ ή Υ. Δεδομένου ότι συνήθως οι άνδρες κληρονομούν το χρωμόσωμα Υ, είναι οι μόνοι που κληρονομούν ασθένειες που συνδέονται με το Υ. Αντίθετα, τόσο οι άνδρες όσο και οι γυναίκες κληρονομούν ασθένειες που συνδέονται με το χρωμόσωμα Χ.

Ένα αλληλόμορφο μπορεί να είναι επικρατές ή υπολειπόμενο. Η επικρατής κληρονομικότητα συμβαίνει όταν ένα επιβλαβές γονίδιο από τον έναν γονέα προκαλεί την ασθένεια παρόλο που το αντίστοιχο γονίδιο από τον άλλο γονέα είναι φυσιολογικό. Η υπολειπόμενη κληρονομικότητα συμβαίνει όταν και τα δύο γονίδια είναι επιβλαβή για να προκαλέσουν την ασθένεια. Κάποιος που έχει ένα επιβλαβές υπολειπόμενο γονίδιο, χωρίς να νοσεί, ονομάζεται φορέας. Ένας φορέας μπορεί να μεταδώσει αυτό το επιβλαβές γονίδιο στα παιδιά του. Το χρωμόσωμα Χ φέρει περίπου 900 με 1.400 γονίδια, τα οποία αντιστοιχούν στο 5% του συνολικού DNA σε ολόκληρο το κύτταρο. Τα περισσότερα από τα γονίδια κωδικοποιούν διαφορετικά γυναικεία ανατομικά χαρακτηριστικά. Το χρωμόσωμα Υ φέρει περίπου 70 με 200 γονίδια, τα οποία αντιστοιχούν στο 2% του συνολικού DNA σε ολόκληρο το κύτταρο. Τα περισσότερα από τα γονίδια του χρωμοσώματος Υ εμπλέκονται με βασικές δραστηριότητες διατήρησης κυττάρων και παραγωγής σπέρματος. Μόνο ένα από τα γονίδια του χρωμοσώματος Υ, το γονίδιο SRY, είναι υπεύθυνο για τα αρσενικά ανατομικά χαρακτηριστικά. Όταν κάποιο από τα 9 γονίδια που εμπλέκονται στην παραγωγή σπέρματος λείπει ή είναι ελαττωματικό, το αποτέλεσμα είναι συνήθως πολύ χαμηλός αριθμός σπερματοζωαρίων και υπογονιμότητα. Παραδείγματα μεταλλάξεων γονιδίων στο χρωμόσωμα Χ περιλαμβάνουν τις πιο συχνές ασθένειες, όπως η αχρωματοψία, η αιμοφιλία και το σύνδρομο εύθραυστου χρωμοσώματος Χ.

Η αχρωματοψία είναι η αδυναμία ή η μειωμένη ικανότητα να βλέπει κάποιος το χρώμα ή να αντιλαμβάνεται τις χρωματικές διαφορές υπό κανονικές συνθήκες φωτισμού. Η αχρωματοψία επηρεάζει πολλά άτομα στον πληθυσμό. Δεν υπάρχει τύφλωση ως προς κάποιο χρώμα, αλλά υπάρχει έλλειψη όρασης χρώματος. Η πιο συνηθισμένη αιτία είναι ένα σφάλμα στην ανάπτυξη ενός ή περισσότερων σετ κωνίων αμφιβληστροειδούς που αντιλαμβάνονται το χρώμα στο φως και μεταδίδουν αυτές τις πληροφορίες στο οπτικό νεύρο. Αυτός ο τύπος αχρωματοψίας ακολουθεί τη φυλοσύνδετη υπολειπόμενη κληρονομικότητα. Τα γονίδια για το χρώμα εδράζουν στο χρωμόσωμα Χ. Εάν κάποια από αυτά τα γονίδια λείπουν ή έχουν υποστεί βλάβη, η αχρωματοψία θα εκφραστεί σε άνδρες με μεγαλύτερη πιθανότητα από ό,τι στις γυναίκες, επειδή τα αρσενικά έχουν μόνο ένα χρωμόσωμα Χ.

Η αιμορροφιλία αναφέρεται σε μια ομάδα αιμορραγικών διαταραχών στην οποία χρειάζεται πολύς χρόνος για να πήξει το αίμα. Προκαλείται από μια μετάλλαξη ή αλλαγή, σε ένα από τα γονίδια, που παρέχει οδηγίες για την παραγωγή πρωτεϊνών του παράγοντα πήξης που απαιτούνται για το σχηματισμό θρόμβου αίματος. Η ασθένεια αυτή κληρονομείται με φυλοσύνδετο υπολειπόμενο τρόπο, ενώ σχετίζεται με το χρωμόσωμα Χ. Η αιμορροφιλία είναι πολύ πιο συχνή στους αρσενικά από ο,τι στα θυλυκά επειδή οι άντρες έχουν ένα χρωμόσωμα Χ. Έχουν μόνο ένα αντίγραφο του εν λόγω γονιδίου και επομένως εκφράζουν το χαρακτηριστικό όταν κληρονομούν ένα μεταλλαγμένο αλληλόμορφο. Αντιθέτως, μια γυναίκα για να εκδηλώσει την ασθένεια θα πρέπει να κληρονομήσει δύο μεταλλαγμένα αλληλόμορφα, ένα λιγότερο συχνό συμβάν καθώς το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο είναι σπάνιο στον πληθυσμό. Κάθε γιος που γεννιέται από μια μητέρα φορέα έχει 50% πιθανότητα να κληρονομήσει το χρωμόσωμα Χ που φέρει το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο.

Το σύνδρομο εύθραυστου χρωμοσώματος Χ είναι μια γενετική διαταραχή που περιλαμβάνει αλλαγές σε μέρος του χρωμοσώματος Χ. Είναι η πιο κοινή μορφή κληρονομικής διανοητικής αναπηρίας (διανοητική καθυστέρηση) στους άνδρες. Προκαλείται από μια αλλαγή σε ένα γονίδιο που ονομάζεται FMR1. Ένα μικρό μέρος του γονιδιακού κώδικα επαναλαμβάνεται σε μια εύθραυστη περιοχή του χρωμοσώματος Χ. Όσες περισσότερες επαναλήψεις, τόσο μεγαλύτερο το πρόβλημα. Αυτός ο τύπος ασθένειας ακολουθεί τη φυλοσύνδετη επικρατή κληρονομικότητα. Τα αρσενικά και τα θηλυκά μπορεί να επηρεαστούν εξίσου, αλλά επειδή τα αρσενικά έχουν μόνο ένα χρωμόσωμα X είναι πιθανό να τα επηρεαστούν περισσότερο. Οι προσβεβλημένοι άντρες έχουν μεγάλους όρχεις, μεγάλα αυτιά, στενό πρόσωπο και διαταραχές της αισθητηριακής επεξεργασίας που οδηγούν σε μαθησιακές δυσκολίες.