Geschlechtschromosom

Als Geschlechtschromosom oder Gonosom (manchmal auch Heterochromosom, Heterosom oder Allosom) werden Chromosomen bezeichnet, deren Karyotyp das genetische Geschlecht eines Individuums bestimmt.

Nicht-geschlechtsbestimmende Chromosomen, die Autosomen, liegen in diploiden Zellen als Paare aus nahezu identischen, homologen Chromosomen vor. Geschlechtschromosomen bilden dagegen in einem der Geschlechter kein homologes Paar, sondern unterscheiden sich deutlich in ihrem Inhalt. Häufig unterscheiden sich die Geschlechtschromosomen auch in ihrer Größe. Das menschliche Y-Chromosom ist etwa deutlich kleiner als das X-Chromosom, bei der Weißen Lichtnelke ist das Y-Chromosom hingegen deutlich größer.

Da das Geschlecht chromosomal bestimmt wird, wird es entsprechend den Mendelschen Regeln vererbt. Diese Form der Geschlechtsbestimmung ist im Lauf der Evolution bei verschiedenen Artengruppen unabhängig voneinander entstanden und kommt beispielsweise bei Säugetieren, Vögeln und einigen Insekten^[1], aber auch in Gefäßpflanzen vor. Bei anderen Arten wird das Geschlecht dagegen durch Umweltbedingungen festgelegt, z. B. durch die Temperatur bei der Embryonalentwicklung (siehe Geschlechtsdetermination).

XY/XX-System

Schema des XY/XX-Systems beim Menschen. Menschen haben 46 Chromosomen. Bei Frauen sind zwei davon X-Chromosomen (links). Männer haben dagegen ein X- und ein Y-Chromosom (rechts). Die Eizellen einer Frau haben 23 Chromosomen, darunter ein X-Chromosom. Spermienzellen haben auch 23 Chromosomen, davon eines entweder ein X- oder ein Y-Chromosom. Das Geschlecht des Kindes wird bestimmt durch das Geschlechtschromosom, das die eindringende Spermienzelle mitbringt.

Säugetiere und damit auch Menschen, jeweils einige Eidechsen, Amphibien und Fische, die Fruchtfliege Drosophila melanogaster und manche Pflanzen wie der Ampfer^[2] und einige Lichtnelken (Silene)^[3]haben ein XY/XX-System: Weibchen haben zweimal das gleiche Geschlechtschromosom, nämlich zwei X-Chromosomen. Sie sind daher bezüglich der Gonosomen homozygot. Männchen haben dagegen ein X-Chromosom und ein Y-Chromosom. Diesen Zustand nennt man hemizygot. Von der Mutter wird also immer ein X-Chromosom weitergegeben, vom Vater entweder ein X- oder ein Y-Chromosom. Alle anderen Chromosomen, die Autosomen, sind in jeweils zwei Kopien vorhanden.

Für Menschen konnte anhand von Patienten mit abweichender Chromosomenzahl gezeigt werden, dass für die Geschlechtsausprägung bedeutsam ist, ob ein Y-Chromosom vorhanden ist oder nicht. Auf diesem befindet sich das SRY-Gen. Ihm kommt Bedeutung bei der Ausbildung eines männlichen Genitaltraktes zu. Ist kein SRY-Gen vorhanden, kann dessen Wirkung vollständig oder zum Teil durch SOX9 und andere beteiligte Gene kompensiert werden. Beim Turner-Syndrom haben die Betroffenen nur ein X-Chromosom und kein Y-Chromosom. Sie entwickeln in vielen Fällen einen weiblichen Genitaltrakt.^[4]

Bei Drosophila ist es dagegen so, dass sich Individuen mit einem X- und ohne Y-Chromosom zu phänotypischen, jedoch sterilen Männchen entwickeln. Hier ist das Verhältnis von Autosomen zu X-Chromosomen entscheidend. Liegt es bei 1 entstehen Weibchen, bei 2 entstehen Männchen. XXY-Individuen bilden Intersexe mit mosaikartig verteilten männlichen und weiblichen Merkmalen (sogenanntes „Salz-und-Pfeffer-Muster“) aus.

Bei manchen Arten kommen mehrere verschiedene X-Chromosomen und/oder mehrere verschiedene Y-Chromosomen vor. Als Extrembeispiel kann das Schnabeltier, ein eierlegendes Säugetier (Monotremata) gelten, bei dem die Weibchen zehn X-Chromosomen (X1-X5, je 2 mal) und die Männchen fünf verschiedene X- und fünf verschiedene Y-Chromosomen haben^[5]. Die Geschlechtschromosomen des Schnabeltiers einerseits zeigen keine Homologien zu denen der Beuteltiere und Plazentatiere andererseits, so dass davon auszugehen ist, dass das XX/XY-System zur Geschlechtsbestimmung innerhalb der Säugetiere zweimal entstanden ist.^[6]

ZW/ZZ-System

Beim ZW/ZZ-System sind die Weibchen hemizygot, sie haben ein W- und ein Z-Chromosom, während die Männchen zwei Z-Chromosomen haben. Es kommt bei den Vögeln, den meisten Schlangen, und jeweils einigen Eidechsen, Fischen und Amphibien vor. Auch haben Schmetterlinge, Köcherfliegen^[7] und Erdbeeren^[8] ein ZW-System.

Ein wahrscheinlicher Kandidat für das Geschlechts-festlegende Gen bei Vögeln ist DMRT1, welches auf dem Z-Chromosom, nicht aber auf dem W-Chromosom vorkommt. Weibchen haben demnach nur eine, Männchen aber zwei Kopien. Letzteres führt zur doppelten Dosis der DMRT1-Expression, welche wiederum zur Ausbildung männlicher Geschlechtsorgane führen könnte. DMRT1 ist auch bei der temperaturabhängigen Geschlechtsbestimmung bei Schildkröten und Alligatoren in männlichen Gonaden verstärkt exprimiert. Bei der Geschlechtsdifferenzierung in Menschen, Mäusen, Drosophila und Caenorhabditis elegans spielen DMRT1-homologe Gene ebenfalls verschiedene Rollen.^[6]

XX/X0-System

Der Wurm Caenorhabditis elegans, ein Nematode, hat ein XX/X0-System: Es gibt die beiden Geschlechter Hermaphrodit und Männchen. Während die Hermaphroditen zwei X-Chromosomen haben, haben die selten vorkommenden Männchen nur eins davon. Es gibt aber kein anderes Geschlechtschromosom, die Männchen haben also ein Chromosom weniger, 9 statt 10. Wie bei Drosophila ist das Verhältnis von Autosomen zu X-Chromosomen entscheidend.

Haplodiploidie

Hauptartikel: Haplodiploidie

Bei der Haplodiploidie wird zwar das Geschlecht durch die vorhandenen Chromosomen bestimmt, es gibt jedoch keine Geschlechtschromosomen. Bei über 2000 Arten von Hautflüglern (Ameisen, Bienen, Wespen) schlüpfen aus unbefruchteten Eiern Männchen, welche daher haploid sind^[1]. Sie haben demnach nur halb so viele Chromosomen wie die diploiden Weibchen (siehe auch Parthenogenese). Bei den gut untersuchten Bienen hat sich herausgestellt, dass ähnlich wie beim Menschen für die Geschlechtsbestimmung letztlich ein bestimmtes Gen entscheidend ist. Ist es in zwei verschiedenen Versionen vorhanden (bei den befruchteten Eiern) entstehen Weibchen. Ist es nur in einer Version vorhanden (bei unbefruchteten Eiern) entstehen Männchen. Durch Inzucht kann es dazu kommen, dass dieses Gen in befruchteten Eiern in zwei identischen Versionen vorhanden ist. Dann entstehen diploide Männchen^[1]. Diese werden jedoch nach dem Schlüpfen aus dem Ei von den Arbeiterinnen aufgefressen. Auch in anderen Tiergruppen wurde Haplodiploidie beschrieben (siehe Hauptartikel Haplodiploidie).

Folgen der Hemizygotie

Während die Weibchen der Säugetiere zwei X-Chromosomen haben, haben die Männchen wie soeben beschrieben nur je ein X- und ein Y-Chromosom, sie sind hemizygot. Dies führt dazu, dass bei einem Gendefekt auf dem einzigen vorhandenen X-Chromosom dieser nicht wie bei den Weibchen durch eine funktionierende Kopie auf dem anderen Chromosom aufgefangen werden kann. Daher gibt es beim Menschen eine Reihe von Erbkrankheiten, die praktisch nur bei Männern auftreten. Die bekanntesten Beispiele sind eine Form der Bluterkrankheit, die Duchenne-Muskeldystrophie und die Rot-Grün-Blindheit.

Bei Tierarten mit ZW/ZZ-System sind umgekehrt die weiblichen Tiere häufiger von geschlechtsgebundenen Erbkrankheiten betroffen, da sie nur eine Kopie des Z-Chromosoms besitzen.^{[9][10][11][12]}

Dosiskompensation

Der Zellkern eines menschlichen, weiblichen Fibroblasten wurde mit dem blau fluoreszierenden DNA-Farbstoff DAPI angefärbt, um das Barr-Körperchen, also das inaktive X-Chromosom darzustellen (Pfeil). Außerdem wurde im gleichen Kern eine Sonderform eines Histons (macroH2A) mit Antikörpern nachgewiesen, die an einen grünen Fluoreszenz-Farbstoff gekoppelt waren. Diese Histon-Sonderform ist im Barr-Körperchen angereichert.

Als eine weitere Folge der chromosomalen Geschlechtsbestimmung liegt in einem der Geschlechter ein Chromosom zweimal vor, das beim anderen nur einmal da ist. Um zu verhindern, dass hier auch doppelt soviel Genprodukt wie im anderen Geschlecht erzeugt wird, haben verschiedene Tiergruppen verschiedene Strategien zur „Dosiskompensation“ entwickelt.

Beim Menschen, der Maus und möglicherweise den Säugetieren generell wird eines der beiden weiblichen X-Chromosomen inaktiviert. Das inaktive X-Chromosom erfährt dabei eine Reihe von Veränderungen, die es zum lichtmikroskopisch nachweisbaren Barr-Körperchen machen (siehe Abbildung). Dieser epigenetische Vorgang ist ausführlich in den Artikeln X-Inaktivierung und Geschlechts-Chromatin beschrieben.

Im Wurm Caenorhabditis elegans werden dagegen im Hermaphroditen beide X-Chromosomen gleichmäßig herunterreguliert. In der Fruchtfliege Drosophila melanogaster kommt es nicht zu einer X-Inaktivierung. Hier wird stattdessen das einzelne X-Chromosom im Männchen doppelt so stark abgelesen wie im Weibchen.^[6]

Bei Vögeln sind die Vorgänge der Dosiskompensation noch nicht vollständig geklärt. Offenbar findet für einige Gene auf dem Z-Chromosom keine Kompensation statt, so dass sie in Männchen stärker exprimiert werden als in Weibchen. Von den Genen mit Kompensation liegt eine Mehrheit in der MHM-Region des Z-Chromosoms (MHM von englisch male hypermethylated region). In Weibchen ist diese Region von einer nicht-codierenden MHM-RNA bedeckt und reich an einer bestimmten Histon-form, die die Genexpression fördert (H4K16ac). ^[6][13][14]

Abweichungen bei der Zahl der Geschlechtschromosomen

Beim Menschen sind etliche Abweichungen in der Zahl der Geschlechtschromosomen bekannt, etwa beim Turner-Syndrom oder beim Klinefelter-Syndrom. Da bis auf eines alle X-Chromosomen (weitgehend) inaktiviert werden, sind überzählige oder ein fehlendes X-Chromosomen eher tolerierbar als zusätzliche Autosomen. Menschliche Y-Chromosomen enthalten nur sehr wenig Gene, so dass auch hier Abweichungen in der Anzahl tolerierbar sind. Eine Übersicht entsprechender Syndrome gibt der Abschnitt Abweichungen bei der Zahl der Geschlechtschromosomen im Artikel Chromosom.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Panagiota Manolakou, Giagkos Lavranos and Roxani Angelopoulou. Molecular patterns of sex determination in the animal kingdom: a comparative study of the biology of reproduction. 2006. Reproductive Biology and Endocrinology, 4:59. doi:10.1186/1477-7827-4-59
2. ↑ Navajas-Pérez et al.: The evolution of reproductive systems and sex-determining mechanisms within Rumex (Polygonaceae) inferred from nuclear and chloroplastidial sequence data In: Molecular Biology and Evolution 22(9), 2005, S. 1929–1939
3. ↑ Monéger, F., N. Barbacar & I. Negrutiu: Dioecious Silene at the X-road: the reasons Y In: Sex Plant Reprod. 12, 2000, S. 245–249
4. ↑ Voß, Heinz-Jürgen (2010): Making Sex Revisited: Dekonstruktion des Geschlechts aus biologisch-medizinischer Perspektive. Transcript-Verlag, Bielefeld.
5. ↑ Frank Grützner, Willem Rens, Enkhjargal Tsend-Ayush, Nisrine El-Mogharbel, Patricia C. M. O’Brien, Russell C. Jones, Malcolm A. Ferguson-Smith and Jennifer A. Marshall Graves. In the platypus a meiotic chain of ten sex chromosomes shares genes with the bird Z and mammal X chromosomes. 2004. Nature 432(7019):913–7. doi:10.1038/nature03021
6. ↑ ^{a b c d} Payer B, Lee JT: X Chromosome Dosage Compensation: How Mammals Keep the Balance. In: Annual review of genetics. August 2008. doi:10.1146/annurev.genet.42.110807.091711. PMID 18729722.
7. ↑ Traut, W., K. Sahara, F. Marec: Sex Chromosomes and Sex Determination in Lepidoptera In: Sexual Development. 1, 2008, S. 332–346
8. ↑ G. M. Darrow: The strawberry: history, breeding and physiology Holt, Rinehart & Winston. New York 1966
9. ↑ JE. Mank und H. Ellegren: Sex linkage of sexually antagonistic genes is predicted by female, but not male effects in birds. In: Evolution 2009, 63(6):1464-72, doi:10.1111/j.1558-5646.2009.00618.x
10. ↑ TF. Wright et al. Sex-linked inheritance of hearing and song in the Belgian Waterslanger canary. In: Proc R Soc Lond 2004, B (Suppl.) 271, S409-S412
11. ↑ PR. Baverstock et al. A sex-linked enzyme in birds—Z-chromosome conservation but no dosage compensation. In: Nature 1982, 296:763-6, doi:10.1038/296763a0
12. ↑ M. Dominguez und M. Schmid Sex-linkage of the chicken ornithine transcarbamylase gene. In: Hereditas 1993, 118:1-5
13. ↑ Laura Bisoni, Laura Batlle-Morera, Adrian P. Bird, Miho Suzuki and Heather A. McQueen. Female-specific hyperacetylation of histone H4 in the chicken Z chromosome. 2005. Chromosome Res. 13(2):205–14. doi:10.1007/s10577-005-1505-4
14. ↑ Dosiskompensation in der englischen Wikipedia