Appunti di Biologia e genetica sulla determinazione del sesso

CROMOSOMA Y

↪ Il cromosoma Y, piccolo, può essere diviso in due macroregioni. Alle estremità,

cioè in prossimità dei telomeri, presenta le regioni pseudo-autosomiche: regioni

veramente omologhe tra X e Y che consentono, anche durante la meiosi,

l’appaiamento dei cromosomi sessuali e il crossing-over attraverso queste regioni;

tutta la parte centrale, chiamata regione maschio-specifica, è tipica del cromosoma

Y ed evidentemente diversa dal cromosoma X. Evolutivamente parlando, il cromosoma

Y è solo un cromosoma X profondamente degenerato a tal punto da non risultare più

omologo ad esso (ad eccezione delle sezioni pseudo-autosomiche) ma che porta

traccia di questa originale omologia. Sulla base della somiglianza con il cromosoma X,

essa si può dividere in 3 sotto-regioni:

→

- Regione trasposta dell’X rappresenta il 15% del cromosoma Y. È

chiaramente derivata dal cromosoma X, è per il 99% identica alla regione Xq21 ed è

fortemente omologa. Presenta due geni, che hanno entrambi gli omologhi su X, quindi

l’individuo di sesso maschile per questi due geni specifici presenta due varianti

alleliche. C’è stato un evento di traslocazione dal cromosoma X evolutivamente

recente nei mammiferi. →

- Regione degenerativa dell’X rappresenta il 20% del cromosoma Y, è la

regione responsabile della determinazione del sesso e contiene delle sequenze che

hanno una certa omologia con l’X, visibili grazie ad analisi di informatica che le

mettono in luce, ma sono profondamente modificate rispetto ad esso, a tal punto da

non rendere intuitiva l’omologia. Questa regione contiene 27 geni, di cui molti sono

pseudo-geni, talmente degenerati che non produrrebbero proteine funzionanti, quindi

generalmente non trascritti. In realtà tra essi 14 geni vengono realmente trascritti e

tra essi c’è il gene SRY, la cui espressione è limitata al testicolo ed è l’unico in grado di

determinare il sesso maschile.

→

- Regione ampliconica rappresenta il 30% del cromosoma Y. Non ha

corrispondenza con nessuna regione del cromosoma X, contiene diversi geni, circa 60

unità trascrizionali, tutti simili tra di loro, infatti si tratta di 9 famiglie geniche. Non

hanno omologhi sul cromosoma X e sono necessari per il processo di spermatogenesi,

tanti casi di sterilità maschile sono dovuti a mutazioni di questi geni, che non si

riflettono in nessuna caratteristica fenotipica, se non nell’incapacità di produrre gameti

funzionanti, in quanto responsabili della struttura e del funzionamento dello

spermatozoo. [La regione ampliconica è composta da geni che favoriscono il maschio

e sono o ininfluenti o addirittura deleteri per la femmina. Come tutti gli altri geni del

cromosoma Y, anche questi derivano dal cromosoma X, ma in questa regione si è

verificata la massima differenziazione, poiché contenente proprio i geni che sono utili

al maschio ma non alla femmina. La regione ampliconica, inoltre, è una regione che

non ha corrispondenza con la X ma nell’ottica del ragionamento appena trattato

dovrebbe esistere una qualche corrispondenza, poiché il punto di partenza sono in

ogni caso due omologhi. Ciò perché la regione ampliconica ha la caratteristica di

contenere famiglie geniche: ognuna di queste famiglie geniche ha un capostipite che

era presente nel cromosoma X ed era profondamente mutato, dal quale poi, per

amplificazione, duplicazione genica, si è poi creata tutta la famiglia. È naturale che di

tutta la regione ampliconica alcuni capostipiti potrebbero avere degli omologhi nell’X,

ma tutti quelli che si sono originati da eventi di duplicazione specifici del cromosoma Y

non li possiedono].

La determinazione del sesso è affidata a un singolo gene, SRY, che codifica per un

fattore trascrizionale, TDF (Testis Determining Factor), capace di determinare lo shift

di differenziamento di una gonade ermafrodita e di un apparato riproduttore

ermafrodita verso un destino specifico, che andrà all’interno del nucleo, a modificare

contemporaneamente i livelli di espressione di tanti geni (controllo coordinato

dell’espressione genica). TDF agirà modulando in maniera profonda l'espressione

genica, buona parte della sua attività sarà finalizzata a determinare la produzione di

testosterone da parte della gonade. Il testosterone è un ormone, verrà rilasciato

dalla gonade e la sua presenza sarà percepita da altre cellule che avranno recettori del

testosterone e che quindi modificheranno a loro volta l'espressione genica iniziando il

processo di differenziamento: la gonade (medulla) si trasformerà in testicolo, la

regressione dei dotti di Müller e il differenziamento dei dotti di Wolff e la formazione

dell'apparato riproduttore maschile. In assenza del TDF il testosterone non verrà

prodotto, e succederà l’opposto: si svilupperà l'ovario invece del testicolo,

regrediranno i dotti di Wolff e si svilupperanno quelli di Muller. Il fatto che sia solo un

gene a determinare il sesso è stato compreso da una serie di osservazioni: esistono

dei maschi che hanno un cariotipo XX, quindi ci aspetteremmo fossero femmine, ma,

attraverso una mutazione cromosomica, hanno attaccato su uno dei due cromosomi X

il gene SRY: basta che questo sia presente, anche se in un contesto completamente

diverso, per determinare lo shift verso il sesso maschile. Esistono anche delle femmine

con cariotipo XY che presentano una delezione della regione del cromosoma Y dove

presenta SRY. Questo è stato riprodotto anche in laboratorio: è possibile creare dei topi

transgenici tecnicamente femmine (XX) che sono stati trasformati attraverso

l'introduzione del gene SRY. Non è importante introdurre questo genere dentro il

cromosoma X ma introdurlo nel genoma dove sia espresso, e i topi sono dei maschi. Al

contrario se si induce una mutazione specifica in topi XY sopra SRY, in modo da

renderlo non più funzionante, questi topi si sviluppano in femmine. [Il TDF quando è

presente va a bloccare l’espressione di un enzima che trasforma il testosterone in

estrogeno: il testosterone viene prodotto sia negli individui di sesso maschile che di

sesso femminile, ma solo negli ultimi è presente l’aromatasi che lo trasforma in

estrogeno. Negli individui di sesso maschile la presenza di TDF non fa esprimere

l’aromatasi, quindi non si ha lo shift in estrogeno. Per questo è presente un livello

residuo di testosterone negli individui femminili. Ciò avviene anche nell’individuo

adulto in cui è necessaria una base di testosterone per produrre estrogeno].

Tutto ciò riguarda la determinazione del sesso nell’uomo e nei mammiferi, il fatto di

avere un meccanismo cromosomico condiviso di determinazione del sesso, nel caso

specifico sistema cromosomico XX/XY condiviso tra organismi di tipo diverso non vuol

dire che tutto ciò che avviene per gli organismi più semplici sia la stessa cosa.

3. Determinazione del sesso in Drosofila

Per quanto riguarda la Drosofila (insetto), si ha lo stesso meccanismo cromosomico di

determinazione del sesso (ovvero un sistema XX/XY), ma non è vero che è la presenza

del cromosoma Y a determinare il sesso maschile e l'assenza a determinare il sesso

femminile: drosofila XXY (nell’uomo Klinefelter) è femmina, mentre Drosofile X0

(cromosomicamente Turner) sono maschi. Fu Bridges che scoprì il meccanismo di

determinazione del sesso in Drosofila, egli utilizzò un clone di Drosofile femmine

triploidi, ovvero che ha per ogni cromosoma tre copie (non 2), e scoprì che erano vitali

in questa specie. Quando questa triploide va incontro a meiosi per produrre i gameti

se ne producono di strani, poiché si dovrebbero avere coppie di omologhi, ma un

cromosoma rimarrà da solo e andrà a distribuirsi in modo casuale nei gameti, con

cromosomi soprannumerari. Bridges andò a incrociare una Drosofila maschio diploide

normale (cariotipo semplice, con quattro coppie di cromosomi) e una femmina

triploide, ed ottenne tanti figli con cariotipo diverso (visibile con analisi cariologica).

Vide che il sesso (sulla base del cariotipo) è determinato tra il rapporto di cromosomi X

e il numero di complementi aploidi presenti (se per i cromosomi non sessuali le coppie

erano aploidi, diploidi, triploidi). Per quanto

riguarda la tabella si osservano vari esempi

(in arancio sono rappresentati i cromosomi X

e in azzurro gli autosomi): alla prima riga si

ha un organismo con 3 cromosomi X e,

essendo diploide, i complementi aploidi sono

2. Il rapporto è 1,5. Alla seconda riga si ha

una drosofila tutta triploide, quindi 3

cromosomi X e 3 complementi aploidi, quindi

il rapporto vale 1 Tutte le volte che R = 1 le

Drosofile sono femmine, quando R = 0,5 le

Drosofile sono maschio. Se R > 1 si

definiscono meta-femmine (sterili) oppure se

R < 0,5 si hanno i meta-maschi o super-

maschi, anch’essi sterili. Quando 0,5 < R < 1

le Drosofile non erano né maschi né femmine, quindi si hanno gli intersesso. Ciò è

completamente diverso rispetto a quello che accade nei mammiferi: il meccanismo

che sottintende è diverso e dipende dalla possibilità che hanno le cellule di Drosofila di

quantificare a livello molecolare quanti cromosomi X ha e quanti componenti aploidi

ha. La quantificazione è resa possibile grazie a proteine che si trovano o sul

cromosoma X o sugli autosomi. I geni sono di due tipi: sisterless, presenti solo sui

cromosomi X, e deadpan, esclusivi degli autosomi. Le proteine sisterless e deadpan

tra di loro formano degli eterodimeri. Nelle femmine si hanno più proteine sisterless

rispetto alle deadpan prodotte: si uniranno a formare eterodimeri (non fanno nulla, è

neutrale) e rimarranno delle proteine sisterless libere che formano invece l’omodimero

sisterless. Nel maschio si ha una quantità di proteine sisterless prodotte inferiore

(meno cromosomi X rispetto ai complementi aploidi, infatti il rapporto è 0,5) quindi

tutte le proteine sisterless verranno neutralizzate a formare dimeri con le proteine

deadpan. La differenza, quindi, è che nelle femmine c’è una quantità di omodimeri

sisterless, che sono dei fattori trascrizionali che vanno a attivare l’espressione del

gene Sex Lethal (Sxl). L’omodimero si lega sul promotore precoce di Sxl e

funziona da attivatore trascrizionale, che stimola la produzione della proteina Sex

Lethal. Nei maschi invece non viene attivata la trascrizione del gene Sxl. La

determinazione del sesso in Drosofila è

una cascata complessa di eventi: dopo

l’evento di regolazione trascrizionale

mediato dall’omodimero si