Dziedziczenie płci.

U większości gatunków u których występuje rozdzielnopłciowość, płeć jest warunkowana chromosomami płci. Chromosomy płci są do siebie strukturalnie niepodobne

w przeciwieństwie do autosomów, które tworzą identyczne pary. Brak podobieństwa chromosomów płci uniemożliwia ich koniugację podczas mejozy i jednocześnie zapobiega rekombinacji (zjawisko crossing over). Dzięki temu na chromosomach płci mogą się gromadzić oddzielnie geny warunkujące płeć męską i płeć żeńską. Brak rekombinacji zapobiega powstawaniu interseksów (osobników o niesprecyzowanej płci).

Dwa najczęściej spotykane systemy warunkowania płci nazywają się Lygeus i Abraksas:

Nazwa	Płeć homogametyczna	Płeć heterogamatyczna	Występowanie
Lygeus	XX samica	XY samiec	Ssaki, rośliny dwupienne, muszka owocowa
Abraksas	XX samiec	XY samica	Ptaki, motyle

Płeć homogametyczna ma identyczne chromosomy płci i wytwarza tylko jeden typ gamet ze względu na chromosomy płci. Do gamety trafia zespół autosomów i chromosom X : A + X

Płeć heterogametyczna ma dwa różne chromosomy płci i wytwarza dwa typy gamet ze względu na chromosomy płci. Do gamety trafia zespół autosomów i chromosom X lub Y: A + X, A + Y.

Płeć potomstwa zależy od gamet wytwarzanych przez płeć heterogametyczną. U człowieka więc płeć dzieci jest warunkowana przez plemniki. Komórka jajowa zawsze zawiera chromosom X, natomiast plemniki X lub Y.

Warunkowanie płci u człowieka i muszki owocowej

U człowieka płeć jest warunkowana chromosomem Y. Jego obecność wyznacza płeć męską a brak żeńską. Można się o tym przekonać na przykładzie aneuploidów pod względem chromosomów płci. Na przykład osoba o chromosomach XXY jest mężczyzną (zespół Klinefeltera), osoba o chromosomach XXX jest kobietą, osoba z jednym chromosomem X0 (zespół Turnera) jest kobietą.

Na chromosomie Y zlokalizowany jest nadrzędny gen wyznaczający płeć męską TDF. Jego aktywność niejako włącza u zarodka wytwarzanie płci męskiej. Lokalizacja tego genu na chromosomie Y jest niestety dosyć niefortunna.
 

Chromosomy płci ze względu na brak strukturalnego podobieństwa nie koniugują ze sobą. To stwierdzenie musimy uściślić. Chromosomy podczas mejozy muszą koniugować i tworzyć biwalenty. Jeśli ze względu na błędy w przebiegu mejozy chromosomy pozostają nieskoniugowane, czyli jako uniwalenty, to na pewno rozsegregują nieprawidłowo. W związku z tym komórki, w których chromosomy nie skoniugowały są kierowane na drogę apoptozy (kontrolowana śmierć komórki). To znaczy, że chromosomy płci również muszą przynajmniej w pewnym stopniu koniugować i rzeczywiście robią to samymi końcówkami. Fragment w obrębie którego dochodzi do koniugacji pomiędzy chromosomami X i Y nazywa się regionem pseudoautosomalnym. Region TDF na chromosomie Y znajduje się zaraz za regionem pseudoautosomalnym. W efekcie czasami na skutek tak zwanego zjawiska zbyt głębokiego crossing over, może się zdarzyć, że gen warunkujący płeć męską zostanie przeniesiony na chromosom X. Mężczyzna wytwarza wtedy cztery typy gamet (zamiast normalnie dwóch X i Y z TDF): normalny X, X z obszarem TDF, Y pozbawiony genu TDF i normalny Y z TDF. Po zapłodnieniu prawidłowych komórek jajowych z chromosomem X otrzymujemy następujące zygoty: XX normalna dziewczynka, XX z TDF – chłopiec o kariotypie XX, XY bez TDF – dziewczynka o kariotypie męskim,  XY z TDF – normalny chłopiec. U części potomstwa występuje więc odwrócenie płci w stosunku do spodziewanej na podstawie chromosomów. Osoby takie są bezpłodne i o nieprawidłowości chromosomowej dowiadują się najczęściej dopiero wtedy gdy zaczynają poszukiwać przyczyn swojej bezpłodności.

Muszka owocowa (Drosophila melanogaster)

U muszki płeć jest warunkowana przez proporcję liczby chromosomów X do liczby zespołów autosomów. Chromosom Y nie bierze udziału w warunkowaniu płci, chociaż zwiera geny odpowiedzialne za spermatogenezę, więc jest niezbędny żeby samce były płodne.

Normalne diploidalne osobniki zawierają dwa zespoły autosomów 2A. Samice mają dwa chromosomy X, więc 2X/2A = 1. Każdy osobnik o takiej proporcji jest samicą. Samce mają jeden chromosom X, więc 1X/2A = ½. Każdy osobnik o takiej proporcji jest samcem. Chromosomu Y nie bierzemy pod uwagę przy określaniu płci.

U muszki owocowej czasami zdarzają się takie aneuploidy chromosomów płci jak u człowieka. I tak XXY – 2X/2A = 1 i jest to samica (u człowieka był to mężczyzna!), osobnik z jednym X, 1X/2A = ½ i jest to samiec, chociaż bezpłodny ze względu na brak Y (u człowieka była to kobieta!). Osobnik XXX natomiast jest tak zwaną nadsamicą – jest to sterylna samica, ale o szczególnie wyraźnie wykształconych cechach płciowych. Proporcja 3X/2A = 1 ½  wyznacza nadsamice. Zdarzają się również nadsamce, gdy proporcja jest mniejsza niż ½. Natomiast proporcja zawierająca się pomiędzy ½ i 1 warunkuje wytworzenie interseksów.

Przykłady osobników o różnej płci u muszki owocowej. Osobniki z większą liczbą zespołów autosomów, 3A, 4A są poliploidami.

Liczba zespołów autosomów A	Liczba chromosomów X	Proporcja nX/nA	Płeć	Płodność
3	2	1.5	nadsamica	sterylna
4	4	1	samica	normalna
3	3	1	samica	normalna
2	2	1	samica	normalna
2	3	0.67	interseks	sterylny
1	2	0.5	samiec	normalny
1	3	0.33	nadsamiec	sterylny

Dziedziczenie cech sprzężonych z płcią

Chromosom Y jest najczęściej genetycznie pusty. Zawiera tylko nieliczne geny odpowiadające za warunkowanie płci czy przebieg spermatogenezy. Cechy zlokalizowane na chromosomie Y nazywamy cechami holandrycznymi, występują one u mężczyzn i dziedziczą się w prostych liniach męskich.

Natomiast chromosom X zawiera wiele genów, niekoniecznie bezpośrednio związanych z warunkowaniem płci. Cechy warunkowane przez te geny nazywamy cechami sprzężonymi z płcią. Występują one u obydwu płci, ale wykazują specyficzny sposób dziedziczenia, inny od dziedziczenia cech autosomalnych.

Porównanie dziedziczenia cech autosomalnych i cech sprzężonych z płcią

1.    Genotypy:
a)    w cechach autosomalnych obydwie płci mają takie same genotypy, zarówno mężczyzna jak i kobieta mogą być AA homozygotą dominującą, Aa heterozygotą lub aa homozygotą recesywną
b)     w cechach sprzężonych z płcią tylko kobiety (płeć homogametyczna) mają „normalne” genotypy XAXA homozygota dominująca, XAXa heterozygota, XaXa homozygota recesywna, natomiast mężczyźni mają tylko jeden allel i są hemizygotami z allelem dominującym XAY lub recesywnym XaY

2.    Wyniki krzyżówek odwrotnych. Krzyżówki odwrotne to takie same krzyżówki pod względem genotypu i fenotypu, ale odwrócone ze względu na płeć
a)     w cechach autosomalnych dają takie same wyniki np.: A – oczy brązowe, a – oczy niebieskie
AA                  x                aa                        AA                 x                aa
brązowe                       niebieskie               brązowe                        niebieskie
                 F1 Aa                                                             F1 Aa
               brązowe                                                           brązowe
b)    w cechach sprzężonych z płcią wyniki są różne np. u muszki owocowej A – oko czerwone, a – oko białe


3.    sposób dziedziczenia
a)    w cechach autosomalnych dzieci dziedziczą równo bo obojgu rodzicach, od matki i ojca otrzymują po jednym allelu
b)    w cechach sprzężonych z płcią, dziewczynki dziedziczą równo po obojgu rodzicach, a chłopcy dziedziczą wyłącznie po matce. Chłopcy nigdy nie dziedziczą cechy sprzężonej z płcią po ojcu, bo od ojca dziedziczą chromosom Y. Inaczej możemy powiedzieć, że cechy sprzężone z płcią nie dziedziczą się w prostych liniach męskich. Sposób dziedziczenia cech sprzężonych z płcią nazywamy dziedziczeniem krzyżowym,


Przykład cechy sprzężonej z płcią
Najbardziej znaną cechą sprzężoną z płcią u człowieka jest hemofilia. Jest to brak prawidłowego krzepnięcia krwi spowodowany niedoborem tzw. VIII czynnika krzepnięcia krwi.  Niegdyś choroba śmiertelna, obecnie przy odpowiednim podawaniu czynnika krzepnięcia można normalnie żyć, chociaż częste są uszkodzenia stawów spowodowane wewnętrznymi krwotokami.

Genotypy i fenotypy:
H – normalna krzepliwość krwi
h – niedobór czynnika krzepnięcia krwi (hemofilia)

Kobiety		Mężczyźni
Genotyp	Fenotyp	Genotyp	Fenotyp
X^HX^H	zdrowa	X^HY	zdrowy
X^HX^h	zdrowa (nosicielka)	-	-
X^hX^h	chora – praktycznie niespotykane	X^hY	chory na hemofilię

Najsławniejszą rodziną, w której występowała hemofilia jest rodzina królewska brytyjskiej królowej Wiktorii.
 

Królowa Wiktoria była nosicielką hemofilii. Możliwe, że pojawiła się u niej nowa mutacja, gdyż z wcześniejszych pokoleń jej rodziny nie ma danych o występowaniu hemofilii. Dwie spośród córek Królowej Wiktorii również były nosicielkami i przekazały chorobę swoim dzieciom. W rodowodzie rodziny Królowej Wiktorii widać, że w każdym pokoleniu pojawiają się chorzy chłopcy (zamalowane kwadraty). Jest to charakterystyczny obraz rodowodu dla cechy recesywnej sprzężonej z płcią – wielu chorych mężczyzn, a chore kobiety się nie pojawiają. Chorzy mężczyźni najczęściej nie mieli dzieci, gdyż umierali w młodym wieku.

Kompensacja różnic pomiędzy płciami – hipoteza Lyon

Skoro kobiety mają dwa chromosomy X, a mężczyźni jeden, to kobiety mają dwa razy więcej alleli na cechy sprzężone z płcią niż mężczyźni. W takiej sytuacji kobiety mogłyby mieć więcej białek kodowanych przez te allele niż mężczyźni, jednak takiej sytuacji się nie spotyka. Istnieje więc jakiś mechanizm wyrównawczy pomiędzy płciami.

U ssaków taki mechanizm kompensacji opisała Mary Lyon, stąd nazywamy go hipotezą Lyon.

W komórkach kobiet aktywny pozostaje tylko jeden chromosom X. Drugi zostaje inaktywowany na wczesnym etapie życia zarodkowego i występuje w komórce jako grudka chromatyny płciowej tzw. ciałko Barra.

Funkcjonalnie więc kobiety i mężczyźni mają po jednym aktywnym chromosomie X.

Argumenty świadczące o słuszności hipotezy:
1.    Obecność ciałek Barra u kobiet i ich brak u mężczyzn. Ogólna zasada jest taka, że inaktywacji ulegają wszystkie X oprócz jednego, więc przy kariotypie na przykład XXX występują dwa ciałka Barra.
2.    Z analiz biochemicznych wynika, że kobiety nie produkują więcej niż mężczyźni, białek kodowanych przez geny na chromosomie X
3.    Cechy fenotypowe – u człowieka trudno wskazać takie wyraźne cechy, ale u innych ssaków możemy wykazać charakterystyczne dziedziczenie barwy futra. Na przykład u kotów barwa futra jest sprzężona z płcią, O – barwa żółta, o – barwa czarna.

Samce mogą być tylko XOY żółte, bądź XoY czarne. Natomiast samice mogą być XOXO żółte, Xo Xo czarne lub XOXo łaciate, czarno- żółte. Łaciatość wynika z faktu, że w części komórek ciała jest aktywny X z allelem na barwę żółtą, a w części X z allelem na barwę czarną

4.    Fakt, że kobiety nosicielki hemofilii nie chorują. Zjawisko to świadczy o tym, że unieczynniane są losowo chromosomy X, które dziedziczymy od ojca i od matki. Załóżmy, że kobieta odziedziczyła po ojcu hemofilię i jest nosicielką. Od matki odziedziczyła chromosom X z allelem warunkującym normalną krzepliwość krwi. Gdyby we wszystkich komórkach jej ciała został unieczynniony X pochodzący od matki, kobieta ta musiałaby chorować na hemofilię. Jednak takie sytuacje się nie zdarzają, gdyż chromosomy X ulegają unieczynnieniu losowo. Nosicielka jest więc mieszanką komórek z chromosomem X z allelem na hemofilię i komórek z chromosomem X z allelem warunkującym prawidłowe krzepnięcie krwi.