Die Gen-Balance-Theorie der Geschlechtsbestimmung
(bei Drosophila melanogaster)
Grundmechanismen der Geschlechtsbestimmung
Das Verhältnis von männlich zu weiblich: 1 : 1
Bei Drosophila sind es genau: 96 männlich : 100 weiblich
Beim Menschen sind es bei der Geburt: 105 männlich : 100 weiblich
1 A = 1 Autosomensatz
entspricht den obigen Chromosomen 2 - 4
Für Drosophila ist 1 A = 3 Chromosomen, für den Menschen ist 1
A = 22 Chromosomen.
Die Autosomen sind paarweise identisch (homolog) und physiologisch äquivalent!
Heterosomen ( = Geschlechtschromosomen)
weibliche Geschlechtschromosomen: homogametisch ( X - X )
männliche Geschlechtschromosomen: heterogametisch ( X - Y )
Die Geschlechtschromosomen sind morphologisch meist verschieden und auch
physiologisch nicht gleichwertig.
weiblich: 2 A + XX männlich: 2 A + XY
Das weibliche ist also das homogametische Geschlecht, das männliche
das heterogametische.
Das heterogametische Geschlecht (männliche) ist das Geschlechtsbestimmende!
Mensch:
- männlich: 2A + XY, weiblich: 2A + XX
- 1 A enthält 22 Chromosomen!
Achtung: nun folgendes gilt nur bei Drosophila!
Rolle des Y-Chromosoms
Ist das Y-Chromosom das geschlechtsbestimmende Chromosom, weil das Weibchen
ja homozygot (XX) ist?
› Nein, das Y-Chromosom spielt keine Rolle bei der
Geschlechtsbestimmung (bei Drosophila!).
Die Rolle des Y-Chromosoms in der Geschlechtsbestimmung ist je nach Tiergruppe
verschieden: Bei Drosophila spielt es keine Rolle bei der Geschlechtsbestimmung.
In der Meiose kommt es mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zu einer
Fehlverteilung von Chromosomen (Nondisjunction: die beiden X trennen sich
nicht)
Fazit:
Bei Drosophila hat das Y-Chromosom keine Bedeutung für die Geschlechtsbestimmung.
Das X-Chromosom ist geschlechtsbestimmend. Es wirkt in Richtung Weiblichkeit:
- 2 A + XX: weiblich#
- 2 A + X: männlich
- 2 A + XXX: super-weiblich
Rolle des X-Chromosoms
Das X-Chromosom spielt die entscheidende Rolle bei der Geschlechtsbestimmung:
Es wirkt in Richtung Weiblichkeit!
Rolle der Autosomen
Auch sie spielen eine wichtige Rolle in der Geschlechtsbestimmung: Sie
wirken in Richtung Männlichkeit.
Beweis:
Bei Drosophila mel. ist das Verhältnis der X-Chromosomen zu den Autosomen
(X/A) geschlechtsbestimmend.
XO - ? sind steril, da sie unbewegliche Spermien haben. Die Gene für
die Beweglichkeit der Spermien liegen auf dem Y-Chromosom.
Die Gen-Balance-Theorie der Geschlechtsbestimmung
› Das X-Chromosom hat ein Übergewicht an weiblichen
Faktoren (bestimmende Gene)
› Die Autosomen haben ein Übergewicht an männlichen
Faktoren (bestimmende Gene)
› Die Expression der sexuellen Merkmale entspricht
der Balance:
Geht das Verhältnis von Numeratoren zu Denumeratoren in Richtung 0.5,
gibt es ein Männchen, geht es in Richtung 1, gibt es ein Weibchen!
Numeratoren und Denumeratoren sind Gene.
Bisher hat man 4 Numerator-Gene auf dem X-Chromosom entdeckt. Diese wirken
in Richtung Weibchen. Auf den Autosomen hat man bisher 1 Denumerator-Gen
entdeckt. Dieses wirkt in Richtung Männchen.
Die Numeratoren und Denumeratoren erzeugen ein quantitatives Signal (zwischen
den Genprodukten). Dies wird umgewandelt in ein qualitatives Signal, welches
auf das Gen Sxl (Schlüsselgen bei der Geschlechtsbestimmung) wirkt.
Wird das Gen Sxl eingeschaltet, gibt es ein Weibchen, wird es ausgeschaltet,
gibt es ein Männchen. Sxl = „sexleathel“!
Genbalance der Geschlechtsbestimmung bei Drosophila
Geschlechtsbestimmung durch das Y-Chromosom (Mensch)
Sexchromatin und Lyon-Hypothese
Barr und Bertram entdeckten 1949 bei Katzen-Weibchen in Interphase-Kernen
von Neuronen ein färbbares Körperchen.
Dieses Körperchen ist feulgenpositiv (enthält DNA). Beim Kater
(bei allen männlichen Zellen) fehlt dieses Körperchen.
Dieses Körperchen nennt man Sexchromatin ( = Barrkörperchen
)
Später wurde Sexchromatin auch beim Menschen entdeckt:
weibliche Zellen besitzen Sexchromatin (Barrkörperchen), sind sexchromatin-positiv
männliche Zellen enthalten im Kern kein Sexchromatin, sind sexchromatin-negativ
Lyon-Hypothese (1961 Mary Lyon)
- Das Sexchromatin ist ein genetisch markiertes (inaktiviert), kondensiertes
( = sichtbares) X-Chromosom › kleines sichtbares Körperchen
auf X-Chromosom
- Die Inaktivierung eines der beiden X-Chromosomen erfolgt rein zufällig.
Dies geschieht frühembryonal (beim Menschen im ~10'000 Zellstadium,
d. h. nach ca. 14 Tagen; bei der Maus nach 6 - 7.5 Tagen.
- Das inaktivierte X-Chromosom wird klonal durch cell-lineage an alle
Tochterzellen weitergegeben bei der Zellvermehrung.
Beweis der Lyon-Hypothese:
Erythroblasten (Vorläufer der Erythrocyten) Zellkultur
Auf dem menschlichen X-Chromosom gibt es ein Gen, das für folgendes
Enzym codiert ist:
Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase (G6PD)
Es gibt zwei Arten dieses Enzyms:
- G6PDF F: fast (=schnell)
- G6PDS S: slow (=langsam)
Man nimmt nun Erythroblasten, die heterozygot für G6PDF und G6PDS
sind (F und S sind Eigenschaften dieses Enzyms). Nur eines der beiden Merkmale
wird aktiv weitergegeben, das andere wird genetisch inaktiviert (weil ein
X-Chromosom inaktiviert wird). Es werden nun einzelne Zellen isoliert und
durch mitotische Vermehrung entstehen Klone.
Resultat: Alle Zellen eines Klons sind entweder 100 % G6PDF aktiv oder
100 % G6PDS aktiv. Es sind nie beide Gene aktiv!
Das ist der Beweis, dass einmal ein X-Chromosom inaktiviert wird und dann
klonal weitergegeben wird. Es ist dann immer das gleiche X-Chromosom inaktiv.
Es wird nicht bei jeder neuen Zellgeneration ein neues X-Chromosom inaktiviert.
Was wäre das Resultat, wenn nach jeder Teilung neu inaktiviert würde?
› In allen Abkömmlingen einer Zelle gäbe
es eine Mischung der F- und S-Enzyme (und nicht entweder F oder S).
Biologische Bedeutung dieser Inaktivierung: Dosiskompensation!
Es besteht der Mechanismus der Dosiskompensation um die Genbalance sicherzustellen.
Das ist wichtig, damit das X-chromosomale Genprokukt für Weibchen und
Männchen gleich ist.
Deshalb gibt es den Mechanismus der Genbalance: Es soll gleiches Verhältnis
der Geschlechtschromosomen (1:1) erreicht werden. ›
nur ein X-Chromosom darf aktiv sein.
Das Männchen hat zwar noch das Y-Chromosom. Doch dieses ist bis auf
einige wenige Ausnahmen genleer.
Bei der Maus gibt es eine Mutante, welche die Dosiskompensation aufhebt.
Dies führt zum Tod der
Maus am 10. Embryonaltag.
Es gibt verschiedene Mechanismen der Dosiskompensation:
- Down-Regulation: Säuger: Inaktivierung eines
X beim Weibchen
C. elegans: Halbierung der Transkriptionsrate X-chromosomale Gene bei
Zwittern
› Es gibt zwar das gleiche Resultat, ist aber ein
total verschiedenes Prinzip.
- Up-Regulation: Drosophila mel.: Die Transkriptionsrate
im ? X-Chromosom wird verdoppelt.
Begriffe:
- Klon: Vegetative Nachkommenschaft einer Zelle
- Cell lineage: = Zellgenealogie. Weitergabe eines Determinationszustandes
an die Tochterzellen
- Determination: Vorgang, der von verschiedenen Möglichkeiten einen
bestimmten Differenzierungsvorgang begründet. Determinationsvorgäne
schränken die Entwicklung der ursprünglich totipotenten Eizelle
schrittweise ein und führen schliesslich zur endgültigen Differenzierung.
(Determinationszustand hier: inaktiviertes X-Chromosom)
Genetische Geschlechtsbestimmung
Beim Menschen (wie auch bei allen anderen bis jetzt determinierten Säugern)
ist das Y-Chromosom geschlechtsbestimmend. Es enthält die männlich
bestimmenden Gene.
Beweis: Sobald ein Y vorkommt, entsteht ein Männchen, wenn keines
vorkommt ein Weibchen!
Auf dem menschlichen Y-Chromosom befindet sich das Gen TDF ( = Testis -
Determinating - Factor) und das Gen SRY ( = sex determining region
on the Y). Diese sind für typische männliche Merkmale verantwortlich
(z. B. Hoden).
Unterschied der Geschlechtsbestimmung: Mensch und Drosophila
Mensch: Immer wenn ein Y-Chromosom vorhanden ist, resultiert ein ?! Auf
dem Y-Chromosom muss also das geschlechtsbestimmende Gen sein!
Aberrante Geschlechtschrs.zahlen, Genbalancestörungen
Genbalancetheorie:
Es besteht ein Gleichgewicht zwischen allen Genprodukten, die Menge des
gebildeten Genproduktes wird ausgeglichen.
Beispiel bei Drosophila: Die X-chromosomalen Gene im Männchen bilden
doppelt soviel Genprodukt wie im Weibchen, welches zwei Genkopien besitzt.
Säuger: Im Weibchen wird ein X-Chromosom inaktiviert, so dass Weibchen
und Männchen je nur ein aktives X-Chromosom besitzen.
Ist die Genbalance gestört, so entsteht eine abnormale Entwicklung.
Treten zusätzliche X-Chromosomen auf, werden alle bis auf eines inaktiviert,
so dass die Genbalance nur wenig gestört wird (im Gegensatz zu zuwenigen
oder zuvielen Autosomen).
- XXY › Klinefelter Syndrom (männlich)
Häufigkeit: 1 : 1'000; 47 Chromosomen; sexchromatin-positiv
Merkmale:
- meist sehr gross
- meist verminderte Intelligenz
- oft diverse körperliche Beeinträchtigungen
- weibliche Schambehaarung im Genitalbereich
- steril, verkümmerte Hoden, Ansatz zu Brüsten
- XO › Turner Syndrom (weiblich)
Häufigkeit: 1 : 10'000; 45 Chromosomen; sexchromatin-negativ (es
muss kein X-Chromosom inaktiviert werden, da nur eines vorhanden ist)
Merkmale:
- meistens sehr klein (ca. 1.30m - 1.50m)
- steril (Ovarieninsuffizienz)
- verminderte Intelligenz
- tief liegende Brüste, Brustwarzen weit auseinander
- Hautfalten
- breiter (dicker) Hals
- XXX › Triplo-X (weiblich)
Häufigkeit 1 : 10'000; 47 Chromosomen; sexchromatin-positiv (2 Sexchromatine)
Merkmale:
- z. T. fertil
- oft geistig unterentwickelt
- XXXX › Tetra-X (weiblich)
Häufigkeit: äusserst selten; 48 Chromosomen; sexchromatin-positiv
(3 Sexchromatine)
Merkmale:
- Anomalien mit 49 Chromosomen:
2A + 5Y ist frühembryonal letal, weil auf dem X-Chromosom viele lebensnotwendige
Gene sind.
Regel für die Anzahl der Sexchromatine:
Alle Fälle von mehr als den normalen 2 Geschlechtschromosomen
(XX oder XY) sind auf non-disjunction zurückzuführen!
Studie in den USA: XYY-Kontroverse:
1969 hat man in den USA 129 Kriminelle untersucht und kam dabei auf folgende
Ergebnisse:
5 waren XYY, 7 waren XXY. Das sind zusammen 9,3%!!
Da man XYY so oft bei Kriminellen (und auch sehr gross gewachsenen) Männern
gefunden hat, wurde postuliert, dass dieser Genotyp besonders aggressiv
wäre.
Diese Horrorergebnis stimmt aber glücklicherweise nicht. Es handelt
sich um eine statistische Schwankung ( = Zufall). XYY-Männer sind nicht
oder nur unbedeutend aggressiver als andere Personen.
Allgemeine Mechanismen der chromosomalen Geschlechtsbestimmung
weibliche oder männliche Heterogametie
Das heterogametische Geschlecht (XY und XO) bildet verschiedenartige Keimzellen
aus.
Bei weiblicher Heterogametie wählt man oft für XY die Bezeichnung
ZW, XX nennt man ZZ!
XX: produziert nur eine Klasse von Gameten: homozygotisch
XY: bilden zwei Klassen von Spermien oder Eizellen, die ausser einem Autosomensatz
entweder ein X oder ein Y tragen.
Säuger und Vögel haben evolutiv die gleiche Abstammung, nämlich
von den Reptilien. Trotzdem haben sie verschiedene Entwicklungen bei der
Heterogametie!
Bei Heterogametie werden immer zwei Arten von Keimzellen gebildet, die X
- Keimzelle und die Y-Keimzelle!
XY oder XO-Typ
Hier sind die XO - männlich steril, weil
die Spermien unbeweglich sind.
Der Beweglichkeitsfaktor für
Spermien liegt auf dem Y-Chrs.
Im Verlaufe der Evolution wurde der Beweglichkeitsfaktor vom Y-Chromosom
auf einen Autosomen übertragen. Deshalb sind XO nicht mehr steril.
So hat sich im Laufe der Zeit die XO-Form gebildet!
Methoden zum Nachweis der Gametieverhältnisse
1. Cytologische Methode
Beobachten und gruppieren der homologen Chromosomen einer Metaphasenplatte
( = homologisieren) nach:
- Länge
- Morphologie (Lage der Centromere)
X und Y wie auch die verschiedenen Homologen der Autosomen sind morphologisch
unterscheidbar.
Dann werden die Homologen zusammmengestellt:
Diese Methode ist nur durchführbar, wenn nicht zu viele Chromosomen
vorhanden sind!!
2. Genetische Methode
Nachweis gesschlechtsgekoppelter Erbgänge (Beobachtung der Übergabe
von geschlechtsgebundenen Merkmalen).
Bei reziproken Kreuzungen: unterschiedliche F1-Phänotypen.
Entdeckung 1910 Morgan: Mensch und Drosophila sind heterogametisch!
3. Entwicklungsphysioloische Methode
Beispiel: Xenopus laevis (Krallenfrosch)
Kontrolle:
Wenn Larven in normalem Wasser aufwachsen, ist das Verhältnis von
weiblich zu männlich 1 : 1
Beobachtung:
Wenn man dem Wasser weibliche Sexualhomone zugibt, entstehen alles Weibchen.
Man nennt sie „Neoweibchen“: Die genetischen Männchen haben
sich durch das weibliche Sexualhormon in Weibchen umgewandelt!
Diese Neoweibchen sind genotypisch männlich und Phänotypisch weiblich!
Annahme: 2 Möglichkeiten
- 1: Männchen homogametisch (Weibchen heterogametisch)
XX x XX : alle Nachkommen sind ?
- 2: Männchen heterogametisch (Weibchen homogametisch)
XY x XX : Nachkommen: XX : 2XY : YY (letal)
Es gäbe also bei den Nachkommen ein Verhältnis von 1 Weibchen:
2 Männchen
Kreuzung:
Neoweichen x normale Männchen
Die Neoweibchen sind genetisch Männchen. Es ist also genetisch eine
homosexuelle Paarung!
Resultat:
Von den 727 Nachkommen waren alle ?. Die Schlussfolgerung ist, dass X.
laevis-? homogametisch sein müssen!!
Bemerkung:
X. laevis ist nicht stellvertretend für alle Amphibien, es tritt auch
der umgekehrte Fall auf.
Dieses Experiment ist aber nur bei Tieren durchführbar, bei welchen
das Geschlecht durch Zugabe von Geschlechtshormonen geändert werden
kann.
Haplo-Diplo-Mechanismus
Die Geschlechtsdetermination findet ohne Geschlechtschromosomen statt.
Die Anzahl der Chromosomen ist entscheidend.
Die Abwesenheit eines ganzen „Chromosomensets“ bestimmt das
Geschlecht:
Diplo: 2n › weiblich
Haplo: n › männlich
Es sind keine Geschlechtschromosomen vorhanden.
Vorkommen: - bei den meisten Hymenopteren
- einzelnen Schildläusen (coccina)
- einzelnen Rädertierchen (Rotatoria)
Beispiel: Honigbiene (Ordnung Hymenopteren)
2n = 32 Chromosomen
Da die Drohnen haploid sind, kommt es bei der Spermatogenese zu keiner
Reduktionsteilung!
Umweltbedingte genotypische Geschlechtsbestimmung
Geschlechtsbestimmung mit Geschlechtschromosomen
Temperaturbedingte Geschlechtsbestimmung
› Beispiel Kleinschmetterling (Talaeporia tubulosa;
Ordnung Lepidoptera)
männlich : XX
weiblich: XO (weibliche Heterogametie)
Temperaturen während der Meiose:
hohe Temperatur (40° C)
X hält sich bevorzugt in der Eizelle auf (ca. 60 %)
2A + XX (männlich)
es entstehen eher Männchen (mit Flügel) |
tiefe Temperatur (4 ° C)
X hält sich bevorzugt im Polkörperchen auf
2A + XO (weiblich)
es entstehen bevorzugt Weibchen (ohne Flügel) |
Die Wanderungsrichtung des X-Chromosoms in der Meiose wird von der Temperatur
beeinflusst.
› Beispiel Waldameise
Die Pumpe des Receptaculum seminis funktioniert schlecht bei tiefen Temperauren
(viel Schatten). Die Folge ist, dass viele Eier nicht befruchtet werden
und deshalb fast nur Männchen entstehen.
Bei warmen Temperaturen (viel Sonne) funktioniert die Pumpe gut und viele
Eier werden befruchtet. Es entstehen vorzugsweise Weibchen (2n).
Natürliche Regelung der Population: Bei guten Verhältnissen entstehen
mehr Weibchen; die Population kann wachsen!
Phänotypische Geschlechtsbestimmung
Hier kommen keine Geschlechtschromosomen vor!
Definition
In genetisch gleichen Zellen entscheiden äussere Entwicklungsbedingungen
oder Bedingungen, die sich während der Entwicklung im Innern des Organismus
einstellen, über die geschlechtliche Differenzierung.
Äussere Bedingungen
Licht
Temperatur
Wirkstoffe |
Innere Bedingungen
Körpergrösse
Stoffe
|
Vorkommen
- bei Protozoen (=Einzeller), z. B. Actinophrys
- bei einigen Algen und Pilzen
- bei einigen Reptilien, z. B. gewisse Alligatoren, Echsen, usw.
- bei einigen Wirbellosen
- bei einigen Ciliaten
- bei einigen Metazoen
- bei einigen Insekten, z. B. Aedes
- höhere echte zwittrige Pfanzen
Man nimmt an, dass die phänotypische Geschlechtsbestimmung polyphyletisch
entstanden ist.
Temperaturbedingte Geschlechtsbestimmung
› Alligator mississippiensis
Temperatur R 30 ° C › alles Weibchen
Temperatur S 34° C › alles Männchen
Zwischen 30° und 34° C entstehen beide Geschlechter!!
Die sensible Phase für die Geschlechtsbestimmung ist ca. 7 -
21 Tage nach der Eiablage.
› Schildkröten (Vorgang umgekehrt)
Temperatur 20 - 27° C › alles Männchen
Temperatur 30 - 35° C › alles Weibchen
Zwischen 27 und 30° C entstehen entweder beide Geschlechter oder Intersexe.
Problem: Was passiert bei globaler Erwärmung oder Abkühlung
der Temperatur?
Es gibt eine These, dass so die Dinosaurier ausgestorben sind. Eventuell
war deren Geschlechtsbestimmung auch temperaturabhängig.
Fall 1: Temperatur sank zu tief ab. Es gab nur noch Weibchen. Wenn diese
nicht genügend schnell zur Parthenogenese übergehen, stirbt die
Rasse aus.
Fall 2: Temperatur steigt zu hoch. Noch schlimmer, denn bei einer rein männlichen
Population hilft auch Parthenogenese nicht mehr.
Populationsdichte
Kommt vor z. B. bei Nemathoden (Meliodogyne incognita)
Hat es nur wenige Individuen, entstehen hauptsächlich Weibchen.
Hat es sehr viele Individuen, entstehen hauptsächlich Männchen.
Auf diese weise kann der Populationsbestand reguliert werden (=crowding).
Grössenbedingte Geschlechtsbestimmung
Kommt vor z. B. bei Orphryotrocha puerilis (mariner Annelide)
Die jungen Tiere (haben wenig Körpersegmente) sind alle männlich!
Bei Wachstum (ab 15 - 20 Segment) werden diese Tiere zu Weibchen!
Wenn man diese Weibchen „zurückschneidet“, indem man sie
hungern lässt, nehmen die Segmente wieder ab. Ab 5 - 10 Segmenten
werden sie wieder zu Männchen (sekundäre Männchen).
Die Geschlechtsbestimmung ist in diesem Fall nicht endgültig, sie
kann wieder rückgängig gemacht werden! Die Grösse (Anzahl
der Segmente) bestimmt das Geschlecht! |
