Vielfalt ist die Würze des Lebens – vor allem, wenn es um die Genetik geht. Unsere Spezies braucht DNA, um sich zu vermischen, um genetische Vielfalt zu schaffen, die der Schlüssel zur bevölkerungsweiten Gesundheit und Widerstandsfähigkeit ist. Während sich Zellen teilen und wachsen, können alle 22 Chromosomenpaare eines Menschen mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen über ihre gesamte Länge genetische Vertauschungen durchführen. Da sich X und Y in der Größe und in den Genen unterscheiden, die sie tragen, bleiben diese beiden genetischen Bündel abseits.

Aber die Forschung hat gezeigt, wie die Geschlechtschromosomen manchmal genetische Daten an ausgewählten Stellen tauschen – und es scheint, dass ihr Austausch nachlässiger ist, als ursprünglich angenommen.

Ein Team unter der Leitung von Melissa Wilson Sayres an der Arizona State University bietet neue Details darüber, was passiert, wenn X- und Y-Chromosomen während der Zellteilung DNA austauschen, aus der Eizellen und Spermien entstehen. Interessanterweise bestätigt ihre Arbeit, dass ein bestimmtes Gen, das für die männliche Entwicklung entscheidend ist, manchmal versehentlich verschoben wird, wenn sich die Geschlechtschromosomen vertauschen. Die Ergebnisse könnten helfen zu erklären, warum manche Menschen weibliche DNA – ein Paar von X-Chromosomen – haben, sich aber physisch als männlich entwickeln.





Vor Millionen von Jahren waren unsere X- und Y-Chromosomen ungefähr gleich und konnten genetisches Material frei austauschen. In den meisten Fällen begünstigt die Evolution diesen Austausch von DNA zwischen den Chromosomen, weil er die Vielfalt erhöht. Aber heute ist das X-Chromosom viel länger als das Y-Chromosom, und an den Spitzen sind nur noch zwei kleine übereinstimmende Regionen übrig. Wir sprechen oft darüber, wie unterschiedlich X und Y sind, sagt Wilson Sayres. Es gibt jedoch zwei Regionen, in denen sie identisch sind, sogenannte pseudoautosomale Regionen. Hier können die X- und Y-Chromosomen Partner sein und DNA austauschen.

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Frühere Arbeiten der Genetiker David Page vom MIT und Bruce Lahn von der University of Chicago zeigten, dass vor Millionen von Jahren Segmente des X-Chromosoms abgeschnitten, umgedreht und wieder eingefügt wurden. Das Ergebnis dieser Mutation, eine Inversion genannt , ist, dass die X- und Y-Chromosomen in der invertierten Region nicht mehr interagieren konnten. Analysen aus dem Labor von Wilson Sayres zeigten zuvor auch, dass Inversionen auf dem X-Chromosom in unserer Evolutionsgeschichte bis zu neunmal vorgekommen sind.



Diese Inversionen „wurden von der natürlichen Selektion begünstigt, weil sie verhinderten, dass das männlich-bestimmende Gen mit dem X rekombiniert und X und Y sich unabhängig voneinander entwickeln konnten“, sagt Qi Zhou, ein Postdoktorand an der University of California, Berkeley, der die Evolution untersucht der Geschlechtschromosomen bei Fruchtfliegen und Vögeln.

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Da der Prozess der Inversion Gene halbiert, können Wissenschaftler die pseudoautosomalen Grenzen auf den Chromosomen einfach sehen, indem sie sich die DNA-Sequenz ansehen und die Abschnitte der verkürzten Gene identifizieren. Wilson Sayres fragte sich also, ob der genetische Austausch, der innerhalb der pseudoautosomalen Regionen stattfindet, eine deutliche Signatur von Diversität mit scharfen Grenzen hinterlassen könnte. Da die Rekombination in den pseudoautosomalen Regionen stattfindet, sollte die Diversität dort im Vergleich zu den anderen Teilen des X-Chromosoms erhöht sein, sagt Wilson Sayres.

Um die Idee zu testen, analysierten sie und ihre studentischen Mitarbeiter an der Arizona State Muster der genetischen Vielfalt auf den X-Chromosomen von 26 nicht verwandten Frauen. Zu ihrer Überraschung beobachtete das Team keine klare Grenze. Die Diversität nimmt über die pseudoautosomale Grenze hinweg fast linear ab, was darauf hindeutet, dass die Rekombinationsgrenzen nicht sehr streng sind, sagt Wilson Sayres. Stattdessen scheint es, dass, wenn pseudoautosomale Regionen DNA-Schnipsel tauschen, manchmal nahegelegene Teile der invertierten Region mitgenommen werden. Das Team präsentiert seine Ergebnisse diese Woche auf der 2015 Treffen der Gesellschaft für Molekularbiologie und Evolution in Wien.



Der Befund ist wirklich wichtig, denn eines der Gene auf dem Y-Chromosom, das dieser Grenze sehr nahe ist, ist SRY, die geschlechtsbestimmende Region des Y, sagt Wilson Sayres. SRY ist ein Gen, das für die Initiierung der Hodenentwicklung bei Männern entscheidend ist. Wenn die Grenze nicht festgelegt ist, können Sie das SRY-Gen auf das X-Chromosom übertragen“, sagt sie. In diesem Fall kann sich ein Individuum mit einem XX-Genotyp, der typischerweise weiblich ist, stattdessen als männlich entwickeln. XX männliches Syndrom , auch de la Chapelle-Syndrom genannt, tritt bei 1 von 20.000 Menschen auf, die äußerlich männlich erscheinen. Personen mit dieser seltenen Erkrankung sind normalerweise steril.

Viele Säugetierarten haben SRY, und zwar an sehr unterschiedlichen Stellen auf dem Y-Chromosom, weil die Inversionen in verschiedenen Abstammungslinien oft unabhängig voneinander aufgetreten sind, fügt Wilson Sayres hinzu. Es ist einfach Pech, dass das SRY-Gen beim Menschen nahe an der Inversionsgrenze liegt.

Eine Studie aus dem Jahr 2012 von Terje Raudsepp von der Texas A&M University und ihre Kollegen hatten bereits vorgeschlagen, dass Fehler bei der X-Y-Rekombination SRY bei Menschen und Schimpansen auf das X-Chromosom verschieben können. Die neue Arbeit verstärkt dieses Ergebnis und zeigt einen wahrscheinlichen Mechanismus. Da die Grenzen der Wechselregionen so verschwommen sind, ist es wahrscheinlich, dass das XX-Männchen-Syndrom kein neues 'Zufallsphänomen' beim modernen Menschen ist, sondern seit mindestens Tausenden von Jahren auftritt. XX-Männchen traten wahrscheinlich während der gesamten menschlichen Evolution mit dieser Häufigkeit auf, sagt Wilson Sayres.

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Die neue Analyse zeigt auch einen unerwarteten Höhepunkt der genetischen Vielfalt in einem umgekehrten Abschnitt des X-Chromosoms, der beim Menschen kopiert und dem Y-Chromosom hinzugefügt wurde. Eines der Gene innerhalb dieses Peaks heißt Protocadherin 11 , ein Gen, von dem angenommen wird, dass es an der Entwicklung des Gehirns beteiligt ist. Die Leute gehen normalerweise davon aus, dass diese Region X-spezifisch ist, aber tatsächlich zeigen wir, dass in dieser Region ein Austausch zwischen X und Y stattfindet, sagt Wilson Sayres. Dies ist wichtig, da die X-transponierte Region wie eine neue dritte pseudoautosomale Region aussieht. Dies könnte zu einem neuen Prozess für männlich voreingenommene Gene vom Y führen, um auf das X zu springen, wo sie nicht hingehören, was zu zusätzlichen genetischen Störungen der Geschlechtschromosomen führt.

Die Arbeit der Gruppe von Dr. Wilson Sayres trägt sicherlich zur Tiefe der Analyse der merkwürdigen Merkmale der menschlichen Geschlechtschromosomen bei, sagt Raudsepp.





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