Genetyczne i epigenetyczne uwarunkowania płci człowieka

Prof. dr hab. Alina Midro podczas konferencji „Gender oczami specjalistów”, 23 stycznia w Warszawie, zaprezentowała, jak kształtuje się płeć w fazie prenatalnej.

Kierownik Zakładu Genetyki Klinicznej Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku wykazała, że płeć jest efektem współpracy wielu genów. I choć warunki zewnętrzne mogą na nie wpłynąć, to jednak nie można wybrać sobie płci, która jest określona na poziomie „oprogramowania” genomu. To „oprogramowanie” jest różne dla mężczyzn i kobiet.

A oto pełen tekst wystąpienia prof. dr hab. Aliny T. Midro:

Dimorfizm płciowy człowieka jako jego podstawowy element tożsamości jest uwarunkowany genetycznie i warunkuje naturalną drogę rozwoju społecznego i kulturowego. Komplementarność cech fenotypu morfologicznego i behawioralnego mężczyzny i kobiety wpisuje się w program genetyczny natury ludzkiej ukierunkowany na realizację podstawowego zadania do spełnienia w życiu, jakim jest posiadanie potomstwa, co z kolei związane jest z jego płodnością. Składa się na to zdolność do wytwarzania komórek rozrodczych, możliwości organizmu kobiety jak i mężczyzny zapewniające prokreację poprzez spotkanie komórki jajowej z plemnikiem zakończone wpisaniem informacji genetycznej przodków w materię nowego życia istoty ludzkiej. Kolejnym etapem jest zabezpieczenie prawidłowych warunków rozwoju dziecka w organizmie matki od poczęcia do narodzin dziecka, a po urodzeniu realizacja macierzyństwa i ojcostwa w formowaniu rodziny i wychowywaniu dzieci a także otoczeniem ich opieką do okresu osiągnięcia przez dzieci samodzielności.

Genetyczne uwarunkowania płci każdego człowieka formują się zaraz po wniknięciu plemnika do komórki jajowej i w pierwszych dniach rozwoju przed okresem implantacji w macicy wraz z łączeniem się nici kwasu dezoksyrybo-nukleinowego (DNA), ojcowskiej i matczynej. Plemnik zawierający chromosom Y z prawidłowo funkcjonującym genem SRY determinuje płeć męską, jeśli zaś zawiera materiał genetyczny chromosomu X kształtowana jest płeć żeńska. Obecność genu SRY jest podstawowym kryterium płci genowej u człowieka Odkryty w 1990 przez grupę P. Goodfellowa [1] z Uniwersytetu w Cambridge gen SRY jest nazywany „centralnym włącznikiem męskości” i jest położony na krótkim ramieniu chromosomu Y w locus Yp11.2. Występuje w warunkach prawidłowych wyłącznie w kariotypie osób z fenotypem morfologicznym mężczyzny. Białko kodowane przez SRY to regulatorowy czynnik transkrypcyjny, który wyłącza aktywność genu DAX1 [2] blokującego poprzez produkowane białko procesy zmierzające do wykształcenia jąder a także genu WTN4 [3].

W wyniku szeregu następujących po sobie procesów molekularnych uruchomianych pod wpływem produktu genu SRY u człowieka pierwotne gonady przekształcają się w jądra produkujące męski hormon testosteron, który po różnych przemianach doprowadza do wykształcenia wewnętrznych i zewnętrznych narządów płciowych charakteryzujących płeć męską człowieka. Gen SRY poprzez kodowane białko SRY jest wiec stymulatorem rozwoju jąder, co w konsekwencji wraz z wywołaniem produkcji hormonu testosteronu i jego pochodnych kształtuje morfologiczne determinanty płci (wewnętrzne i zewnętrzne narządy płciowe męskie). W późniejszych fazach rozwojowych testosteron lub jego pochodne oddziaływując także na tkankę mózgową może wpływać na fenotyp behawioralny mężczyzny w tym na jego poczucie płci i inne cechy różnicujące zachowanie mężczyzny w stosunku do kobiety. Należy dodać, że działanie androgenów, jako bodźca działającego na tkankę mózgową podlega dodatkowym uwarunkowaniom i nie zawsze poczucie płci męskiej jest prostą zależnością jego oddziaływania.

Jeśli geny DAX1 i WNT4, nazywane genami antymęskimi, nie są zablokowane jak w sytuacji, gdy brakuje białka SRY, albo brak jest genu SRY czy tez całego chromosomu męskiego Y w kariotypie danej osoby, to wykształcają się cechy płci żeńskiej. Analogicznie geny DAX1 i WNT4 można by nazwać genami kobiecości” kształtującymi płeć żeńską danej osoby. Różnice pomiędzy kobietą i mężczyzną na poziomie chromosomów – to także sprawa drugiego chromosomu X w kariotypie żeńskim. Jak udowodniła Mary Lyon w 1961 r.jeden z nich jest inaktywowany tworząc tzw. ciałko Barra w stadium interfazy cyklu podziałowego komórki. Stanowi ono kryterium płci chromatynowej żeńskiej. Proces inaktywacji dokonuje się losowo. Może być inaktywowany ojcowski chromosom w części komórek, a w innej grupie matczyny chromosom w efekcie tworząc funkcjonalną mozaikę , najkorzystniej w proporcji 50 % :50%. Są czynniki, które zaburzają te proporcje i jest to wówczas inaktywacja selektywna. Aby to zobrazować najczęściej opowiadam studentom historyjkę, jak czarny kot spotkał rudą kocicę a urodzone potem kocięta płci żeńskiej miały sierść szylkretową, a koty płci męskiej – sierść tylko rudego koloru . U kotów kolor sierści jest sprzężony z chromosomem X i kolor sierści zależy od obecności genu danej barwy na aktywnym chromosomie X. Okazuje się, że nie wszystkie geny są wyciszane w wyniku inaktywacji i maja one swoje aktywne odpowiedniki w obrębie partnerskiego chromosomu X. Jest w tej grupie część genów, która też jest analogiczna do genów z chromosomu Y wskazując na komplementarność działania tego chromosomu w stosunku do genów wyciszanego chromosomu kobiecego X.

Cząsteczka DNA została nazwana molekułą życia, gdyż w niej zawarta jest informacja (baza danych) o strukturze i rozwoju organizmu, w tym informacja o odrębności cech płci męskiej i żeńskiej. Sekwencja DNA czyli kolejność ułożenia czterech nukleotydów stanowiących literki pisma tworzą indywidualna księgę życia człowieka, zwaną genomem. Skręcone nici DNA są odpowiednio upakowane w jądrze komórkowym i mitochondriach. W każdej komórce !!!!! jest cała informacja genetyczna – cały zbiór genów czyli indywidualny genom danego człowieka. Okazuje się, że poszczególne geny z tego zbioru genów są osobno udostępniane do odczytu wg określonego kodu zapisanego w epigenomie. Sposób odczytu księgi życia zwany epigenomem czyli „nadgenomem” jest swoistym oprogramowaniem genomu, czyli zbioru genów, człowieka i decyduje, które geny, czyli odcinki genomu, i w jakim czasie będą udostępniać do odczytu zawartą w nich informacje genetyczną. Udostępniane są w różnym czasie w rozwoju i w relacji ze środowiskiem na podstawie tzw. krajobrazu epigenetycznego danej komórki czy tkanki, który podlega różnym zmianom regulacyjnym.

Ważnym elementem epigenetycznego nadzoru odczytu DNA jest różnorodność znakowania genów czy innych wybranych fragmentów DNA za pomocą metylacji nukleotydów tworzących pary CpG. Można powiedzieć, że sposób, w jaki czytany jest DNA jest też dziedziczny ale na początku programu rozwojowego człowieka po zapłodnieniu kod jest jeszcze przeredagowany.

Reprogramowanie epigenetyczne związane z płcią realizowane po zapłodnieniu i w okresie przed implantacją do macicy to aktywna demetylacja genomu ojcowskiego i pasywna matczynego chroniona dodatkowo przez matczyny gen DPPA3 w zygocie, a następnie przez geny matczyne ZFP57, TRIM28 i DNMT1 podczas dalszych podziałów komórkowych jeszcze przed implantacją [4].

Manipulacje gametami i embrionami ludzkimi na tym etapie w metodach pozaustrojowej prokreacji mogą w istotny sposób zaburzając ten proces . Poznawanie tego procesu również wpisuje się w naszą wiedzę o (epi)genetycznych uwarunkowaniach różnic w zakresie płci człowieka. Okazało się, że niektóre geny są znakowane w zależności podchodzenia rodzicielskiego i ich aktywność może być zablokowana przez cały okres życia dziecka. Określa się je genami piętna rodzicielskiego lub genomowego i jego odmienności mogą prowadzić do zaburzeń rozwoju, wad narządów wewnętrznych bądź niepełnosprawności u potomstwa [5].

Epigenom jest też wpisany w formę organizacji chromatyny w której w specjalny sposób są upakowane kuleczki białkowe a na nich, jak na szpulkach, są nawinięte nici DNA. Różne procesy modelowania chromatyny mogą wpływać na kolejność odczytywania informacji poszczególnych genów. W warunkach patologicznych mogą wpływać na brak ich odczytu skutkujący brakiem danego białka, podobnie jak powodują to mutacje danego genu. W konsekwencji prowadzi to do takich samych zaburzeń, u podłoża których jest brak pożądanej funkcji danego białka. Przykładem tego mogą być ostatnio opisane doświadczenia przeprowadzone przez grupę japońską na myszach [6], z których jasno wynika, że warunkiem uzyskania aktywności mysiego genu męskości sry jest wcześniejsza jego demetylację. Poprzedzona jest stanem rozluźnienia chromatyny umożliwiającej dostęp do tego genu czynników transkrypcyjnych. Jeśli dotrą do promotora genu sry czynniki uruchamiające jego odczytywanie w pożądanej fazie rozwojowej, to rozpocznie się jego transkrypcja czyli przepisanie na informacyjny RNA.

Potem zachodzi składanie genu i translacja zakodowanego białka w formie produktu tego genu, który determinuje płeć męską. Niedobór enzymu modyfikującego chromatynę w okolicy genu SRY tzw. demetylazy histonowej Jmjd1a skutkuje brakiem aktywności genu SRY i brak jest produkowanego wówczas istotnego białka SRY. W konsekwencji doprowadza to do odwrócenia płci z męskiej na żeńską, bądź powstawania obojnactwa narządów płci zarówno wewnętrznych jak i zewnętrznych. Zaobserwowano też inne zaburzenia dotyczące płodności samców. Rodzaj zaburzeń fenotypowych zależał i od zakresu niedoboru wspomnianej demetylazy histonowej Jmjd1a.

W klinice wyróżnia się następujące kryteria kwalifikujące daną osobę do płci męskiej lub żeńskiej, które charakteryzują tzw. fenotyp morfologiczny człowieka. Są to płeć genowa, płeć chromatynowa, płeć chromosomowa, płeć gonadalna, płeć germinalna, płeć hormonalna, płeć wewnętrznych n. płciowych, płeć zewnętrznych n. płciowych, płeć metrykalna oraz cechy fenotypu zachowania charakteryzowanego poprzez poczucie tożsamości płciowej, płeć społeczną i orientację seksualną. Istnieje szereg zaburzeń, w których nie wszystkie kryteria płci są zgodne i są to zaburzenia, które niejednokrotnie wymagają określonych interwencji terapeutycznych i wsparcia.

Jako przykłady można podać zaburzenia rozwojowe skutkujące powstawaniem wad rozwojowych i problemów z płodnością jak w przypadku braku jednego z chromosomów płci prowadzących do fenotypu zespołu Turnera, nadmiaru chromosomu płci prowadzącego do fenotypu z Klinefeltera czy sytuacje odwrócenie płci chromosomowej obserwowanej u osób z fenotypem zespołu Sweyera jako wynik zaburzenia determinacji płci spowodowanej mutacjami lub aberracjami strukturalnymi w regionie SRY na chromosomie Y. Odwrócenie płci występuje też w zespole Morrisa, w którym fenotyp żeńskijest spowodowany niewrażliwością na androgeny z uwagi na mutacje genu receptora androgenowego położonego na chromosomie X, a kariotyp jest męski z chromosomem Y i gonada męską położoną wewnątrz jamy brzusznej.

Inny przykład nieprawidłowości biosyntezy hormonalnej, które mogą prowadzić do zmian cech fenotypu płci, to zespół nadnerczowo-płciowy wymagający interwencji lekarskiej na różnych etapach działania w zależności od stanu narządów zewnętrznych nierzadko obojnaczych i zaburzeń transseksualnych. Prawidłowy rozwój cech płciowych zdeterminowany jest działaniem wielu genów. Podaje się, że w procesie formowania różnic fenotypu morfologicznego człowieka, potocznie nazywanym płcią biologiczną, zaangażowanych jest wiele genów położonych na chromosomie Y lub X ale i około 200 genów autosomowych leżących poza chromosomem X i Y. Mutacje dotyczące jednego spośród tych genów jak np. SOX9 czy SF1 już powodują zaburzenia różnicowania poszczególnych cech płciowych.

Bardzo interesujące są wyniki badań procesów wczesnego rozwoju wskazujące na bezpośrednie działanie produktów genów różnicujących komórki mózgowe charakterystyczne dla płci męskiej i żeńskiej. Okazuje się, że dimorfizm płci mózgu jest bezpośrednio determinowany przez geny na bardzo wczesnym etapie jego rozwoju zanim jeszcze nastąpi różnicujące wydzielane hormonów oddziaływujących na mózg a indukowanych poprzez rozwój gonad.

Reinius i Jazin opisali prenatalną ekspresję wielu genów chromosomu Y: PCDH11Y, ZFY,RPS4Y1, USP9Y, DDX3Y, NLGN4Y, UTY, EIF1AY, UTY, TMSB4Y, CYorf15B, PRKY wyróżniającą mózg męski zwłaszcza w regionie kory mózgowej, prążkowia, (łac striatum) i wzgórza. Brak ekspresji analogów tych genów z chromosomu X wyróżniał badane regiony mózgu u dziewczynek [7].

Co ciekawe, nie wykazano aktywności genu SRY w żadnym z analizowanych regionów mózgu. Sugeruje to, że proces kształtowania poczucia płci i cech fenotypu behawioralnego we wczesnych etapach rozwoju mózgu zachodzi niezależnie od kształtowanie morfologicznych cech różnicujących płeć. Należy dodać,że geny TMSB4Y i NLGN4Y nie mają swoich homologów u ssaków, czynnik transkrypcyjny kodowany przez ZFY jest obecny w mózgu prenatalnym tylko u człowieka, a nie u myszy, a geny USP9Y, DDX3Y, UTY są ortologiczne do genów mysich i u myszy jest też zmienna aktywność w mózgu wskazująca na dimorfizm w zależności od płci.

Należy jeszcze uwzględnić, że geny położone na chromosomie Y też podlegają regulacjom epigenetycznym, które mogą zmienić ich odczyt. Niedawno moi studenci przetłumaczyli i zaprezentowali na zajęciach opublikowany w Nature Neuroscience ciekawy artykuł Forgiving the sins of the fathers (Odpuszczając grzechy ojców) z tego zakresu prezentujący eksperymenty na szczurach poddawanych działaniu narkotyków [8].

„Samce szczurów podzielono na dwie grupy. Jednej z nich aplikowano kokainę, a drugiej grupie kontrolnej sól fizjologiczną przez 60 dni. Samce połączono w pary z samicami, które nigdy nie miały styczności z narkotykami. Szczury zaraz po spotkaniu i zapłodnieniu były rozdzielane, aby wyeliminować możliwość wpływu zachowania szczurów na przebieg ciąży. Kolejno potomstwo szczurów zostało poddane dokładnej obserwacji, aby ocenić czy same zaczną aplikować sobie kokainę, która była im oferowana. Okazało się, że potomstwo, ale wyłącznie samców, szczurów uzależnionych od kokainy potrzebowało więcej czasu, aby nauczyć się aplikowania sobie tego narkotyku, a także przyjmowało znacznie mniejsze dawki w porównaniu z potomstwem grupy kontrolnej. Dodatkowo, zwierzęta z grupy kontrolnej były skłonne o wiele ciężej pracować, aby uzyskać pojedynczą dawkę kokainy w porównaniu do potomstwa szczurów uzależnionych. Na tej podstawie ustalono ze istnieje redukcja nagradzającego efektu kokainy u potomstwa szczurów zażywających kokainę!!!

Naukowcy zbadali mózgi tych zwierząt i stwierdzili, że męskie potomstwo szczurów uzależnionych od kokainy ma zwiększony poziom białka BDNF, w korze przedczołowej mózgu (mPFC ) w stosunku do zwierząt, których rodzice nie mieli kontaktu z substancją odurzającą. Chodzi o białko którego rolą jest powstrzymywanie behawioralnych skutków działania kokainy. Wykryto, że w wyniku acetylacji białek histonu dochodzi do osłabienia ich związku z DNA co powoduje zwiększoną dostępność białek transkrypcji i tym samym zwiększoną ekspresję genu BDNF. Dodatkowe badania wskazywały, że było więcej acetylacji histonu H3 u potomstwa szczurów zażywających kokainę. Ostatnie badania sugerują, że kokaina powoduje epigenetyczne zmiany na chromosomie Y , które zostały odziedziczone i wskazują, ze modyfikacje epigenetyczne występujące na chromosomie Y wpływające na zachowanie mogą być przekazywane z pokolenia na pokolenie i być dziedziczonymi po ojcu przez syna”. (Tłumaczenie Monika Ostaszewska i Tomasz Brezdeń – V rok Wydział Lekarski UMB)

Prof. Alina T. Midro,
Zakład Genetyki Klinicznej. Uniwersytet Medyczny w Białymstoku

Przypisy:

[1] A. H Sinclair,. ..P N Goodfellow. A gene from the human sex-determining region encodes a protein with homology to a conserved DNA-binding motif. “Nature”, 346, s. 240–244, 1990.

[2] Swain, A., Camerino, G. Mouse Dax1 expression is consistent with a role in sex determination as well as in adrenal and hypothalamus function. Nature Genet. 12: 404-409, 1996.

[3] B. K. Jordan,…, E. Vilain Up-regulation of WNT-4 signaling and dosage-sensitive sex reversal in humans. Am. J. Hum. Genet. 68: 1102-1109, 2001.

[4] M. M Denomme, M.RW Mann Maternal control of genomic imprint maintenance 2013 Reproductive BioMedicine Online 27, 6, s 629-636, 2013.

[5] A. Midro, Niektóre zaburzenia genetyczne u dzieci wynikające z zastosowania procedur zapłodnienia pozaustrojowego in vitro w: Otoczmy troską życie, Białystok 2011, s. 81-93.

[6] S. Kuroki i wsp., Epigenetic Regulation of Mouse Sex Determination by the Histone Demethylase Jmjd1a. Science2013:341, 6150 s 1106-1109 DOI: 10.1126/science.1239864.

[7] B Reinius i i.Jazin, Prenatal sex differences in the human brain. Molecular Psychiatry 2009:14, 988-989;doi:10.1038/mp.

[8] M. D. Scofield i P. W. Kalivas Forgiving the sins of the fathers” – Nature Neuroscience 2013,1 |

Bibliografia

Collins Francis. Język Życia DNA a rewolucja w medycynie spersonalizowanej. Laurum Warszawa 2011

Denomme M. M, M.RW Mann Maternal control of genomic imprint maintenance 2013 Reproductive BioMedicine Online 27, 6 , s 629-636, 2013

Jordan B.K, Vilain E, Up-regulation of WNT-4 signaling and dosage-sensitive sex reversal in humans. Am. J. Hum. Genet. 68: 1102-1109, 2001

Kandel ER A new intellectual framework for psychiatry. “Am. J Psychiatry”. 1998:155; (4):457-69
Kuroki S i wsp. Epigenetic Regulation of Mouse Sex Determination by the Histone Demethylase Jmj d1a Science2013:341, 6150 s 1106-1109 DOI: 10.1126/science.1239864

Midro A .Niektóre zaburzenia genetyczne u dzieci wynikające z zastosowania procedur zapłodnienia pozaustrojowego in vitro.w. Otoczmy troską życie Białystok 2011 s. 81-93.

Rice W. R, Friberg U. S. Gavrilets Homosexuality as a Consequence of Epigenetically Canalized Sexual Development The Quarterly Review of Biology 2012, 87, 4,

Rice W. R, . Friberg U S. Gavrilets Homosexuality via canalized sexual
development: A testing protocol for a new epigenetic model. Bioessays 2013 35: 764–770

Sinclair A. H,. Goodfellow P. N. A gene from the human sex-determining region encodes a protein with homology to a conserved DNA-binding motif. “Nature”, 346, s. 240–244 1990

Swain, A., Camerino, G. Mouse Dax1 expression is consistent with a role in sex determination as well as in adrenal and hypothalamus function. Nature Genet. 12: 404-409, 1996

Spork P. Drugi kod. WAB 2011

Szyf M. How do environments talk to genes?” – Nature Neuroscience 2013, 1.