Geschlechtschromosomen

Ich will hier der Frage nachgehen, warum es Geschlechtschromosomen gibt und wie sie aufgebaut sind. Ganz allgemein könnte man fragen, warum es Chromosomen gibt und warum nicht einzelne Gene weitergegeben werden, insbesondere darum, weil verschiedene Arten sehr unterschiedlich viele Chromosomen besitzen.
Bei den Reptilien wird das Geschlecht durch die Umgebungstemperatur bestimmt. Als sich aus diesen einerseits Säuger, andererseits Vögel entwickelten, die gleichwarm waren, konnte diese Methode nicht beibehalten werden, weil die Körpertemperatur ja bei allen hoch war. Theorie wie die Y-Chromosomen entstanden sind (hier für Säuger und den Menschen dargestellt, bei anderen Tiergruppen verlief der Prozess aber ähnlich): Es trat auf einem Chromosom (also einem Autosom) eine Mutation auf, wodurch ein Gen SRY (in anderen Tiergruppen hat das Gen andere Namen) entstand, das dominant war und das zur Ausbildung des männlichen Geschlechtes führte. Damit war das Y-Chromosom geboren. Man schätzt, dass das bei den Säugern vor etwa 300 Mill. Jahren eingetreten ist, was im Groben mit der Evolution der Säuger im Einklang steht. Das bedeutet, dass es von nun an zwei Geschlechtschromosomen gab, die hier mit M^- (nicht mutiert) und M⁺ (was die dominante Mutation trug) benannt seien. M^-M⁺ waren dann Männchen und M^-M^- Weibchen (s. dazu Abb.1).

Abb.1 Evolution des Y-Chromosoms bei Säugetieren. 1:Ausgangszustand, es ist die Mutation SRY aufgetreten, die hier als M+ dargestellt ist. 2: Eine Inversion ist aufgetreten, die weißen Regionen können noch frei rekombinieren. 3: Das neue Y-Chromosom hat jetzt Gene verloren und ist kürzer geworden. 4: Es sind neue Mutationen aufgetreten, die die männliche Fitness erhöhen und diese Regionen sind ebenfalls invertiert. 5: Es sind nur noch kurze DNA-Regionen an den Enden des Chromosoms vorhanden, die rekombinieren können.

Um dieses Gen (SRY) herum haben sich Gene angesammelt, die für das männliche Geschlecht nützlich waren. Damit kein Crossing over vom M⁺ zum M^--Chromosom stattfinden konnte, ist eine Inversion in dieser Region aufgetreten. Die M--Chromosomen konnten weiter unter sich vollständig rekombinieren und haben sich im weiteren Verlauf der Evolution nur wenig verändert, was durch eine ähnliche Reihenfolge der Gene bei verschiedenen Säugetieren dokumentiert wird. Auf dem M⁺-Chromosom (Y-Chromosom) konnten sich nun in der Region mit der fehlenden Rekombinationsmöglichkeit Mutationen ansammeln und so defekte Gene entstehen, die dann im weiteren Verlauf der Evolution verloren gingen. Das Y-Chromosom wurde mit der Zeit immer kürzer (s. Abb.1). Dieser Prozess ist bei verschiedenen Tiergruppen verschiedenen verlaufen, weshalb das Y-Chromosom zur Untersuchung der Evolution der Säugetiere herangezogen werden kann. Es entstanden also auf dem M⁺-Chromosom hemizygote Gene, d.h. Gene zu denen kein zweites Allel (auf dem M^--Chromosom) vorhanden war. Das musste natürlich zu Dosisproblemen bei der Expression führen, weil diese Gene nur halb so stark exprimiert wurden wie normale Gene. Um dem entgegen zu wirken wurden verschiedene Mechanismen entwickelt. Bei Drosophila wird die Expression heraufreguliert, bei C. elegans wird sie herabreguliert und bei Säugern wird ein X-Chromosom inaktiviert.
Diese Theorie müsste zu dem Schluss führen, dass bei sehr langfristiger Evolution das Y-Chromosom nur noch die Gene aufweisen sollte, die das Männchen allein benötigt. (Bei manchen Wühlmäusen ist das Y-Chromosom sogar ganz verloren gegangen und bei C. elegans ist XX Zwitter und X0 das Männchen. Das erfordert natürlich weitere Veränderungen in Bezug auf SRY).
Wenn die Vermutung stimmt, dass nach der Entstehung des SRY-Gens eine Inversion in dieser Region stattgefunden haben muss, um die Rekombination zu verhindern, muss es auf dem X-Chromosom also eine Region geben, die nicht rekombiniert und diese muss zwischen zwei rekombinierenden Regionen liegen. Das ist auch tatsächlich der Fall. Sie wird mit NRY (non-rekombining-region) bezeichnet. Die rekombinierenden Teile sind im Laufe der Evolution stark geschrumpft und liegen an den äußersten Enden des X-Chromosoms. Sie werden auch als PAR (pseudoautosomal region) bezeichnet (s. Abb.2). Diese Regionen machen zusammen etwa 5% des Y-Chromosoms aus.

Abb.2 Struktur des Y-Chromosoms Links: Übersicht über das ganze Y-chromosom. Am oberen Ende des kurzen Armes (p-Arm) befindet sich eine Region, die noch rekombinieren kann. Daran schließt sich eine euchromatische Region an. Es folgt das Centromer. Auf dem langen Arm (q-Arm) schließt sich an die euchromatische Region eine lange heterochromatische Region an. Die kurze noch rekombinierende Region am Ende des langen Armes ist hier nicht zu erkennen. Rechts: Vergrößerte Darstellung des Y-Chromosoms. Die Lage des SRY-Gens ist hier eingetragen.

In den verschiedenen Säugergruppen liegen unterschiedlich weit degenerierte Y-Chromosomen vor. Die Monotremen (das sind die ursprünglichsten Säugetiere) z.B. haben ähnlich lange X- und Y-Chromosomen, bei den Beuteltieren ist das Y-Chromosom extrem kurz und bei den Männchen findet keine Rekombination mehr zwischen Y- und X-Chromosom statt. Abgesehen davon sind die Y-Chromosomen verschiedener Arten von Säugern sehr ähnlich aufgebaut. Besonders die Gene auf dem langen Arm haben in der Regel homologe Gene auf dem X-Chromosom.

Bei Vögeln ist die Entwicklung natürlich nicht ganz genauso abgelaufen, aber es ist im Endeffekt zu einem ähnlichen Ergebnis gekommen. Außerdem haben bei den Vögeln (bei ihnen werden die Geschlechtschromosomen als W- und Z-Chromosomen bezeichnet, wobei das W-Chromosom dem Y-Chromosom entspricht). die Weibchen W- und Z-Chromosomen und die Männchen zwei Z-Chromosomen.

Nun zur Struktur des Y-Chromosoms (s. auch Abb.2):
Die PARs an den den beiden Enden habe ich schon erwähnt. Vielleicht sind diese beiden Regionen auch notwendig, um eine Paarung dieser beiden Chromosomen in der Meiose zu gewährleisten und damit die Chromosomen korrekt zu trennen.
Der Rest des Y-Chromosom also 95% besteht aus der NRY (nonrekombining region). Dieser Bereich ist sehr reich an repetitiven Sequenzen, er besitzt viele Transposonen. An vorhandenen Genen werden drei Klassen unterschieden.
1. single-copy-Gene (8), die nur in einer Kopie vorliegen. Zu ihnen existieren homologe Gene auf dem Y-Chromosom und sie werden alle körperweit exprimiert. Es handelt bei diesen Genen also um wichtige Haushaltsgene handen, die für beide Geschlechter unverzichtbar sind. Sie werden auch von der X-Chromosomen-Inaktivierung ausgenommen.
2. multicopy-Gene (8), sie werden ausschließlich im Hoden exprimiert, d.h. es handelt sich um solche Gene, die von den Männchen benötigt werden.
3. weiter gibt es 5 Gene, die eine Mischform aus der ersten und zweiten Klasse bilden. Sie haben aktive homologe Gene auf dem X-Chromosom, sie selbst werden jedoch nur im Hoden exprimiert. Hierzu gehört auch das Gen SRY. Es wird in der bipolaren embryonalen Gonade exprimiert und leitet so die Differenzierung zum Hoden ein. Das homologe Gen zu SRY ist SOX3.

Es gibt auch Gene auf dem Y-Chromosom,die die männliche Fitness erhöhen, die aber dem Weibchen schaden würden. Dazu gehören z.B. die Ornamentierungsgene beim Guppy, die dazu führen, dass das Männchen auffällig gefärbt ist, was seine sexuelle Attraktivität erhöht, also positiv für ihn ist, was aber für das Weibchen nicht gut wäre, weil es leichter zur Beute würde. In welche Klasse man solche Gene einordnen will, ist mir nicht ganz klar.

Quellen:

Lahn, B.T., Pearson, N., Jegalian, K.
The Human Y-Chromosome, in the light of Evolution
Nature Review Genetics 2,3,207-216, 2001

Sundström, H.
Mutation and Diversity in avian Sex Chromosomes
Acta Universitatis Upsaliensis
Dissertation 2003