4.1 ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ

Η εξελικτική βιολογία αποτελεί ένα κλάδο της επιστήμης που υπόσχεται να μας χαρίσει πολλές συγκινήσεις στη διάρκεια του 21ου αιώνα, καθώς όλο και περισσότερες πτυχές της ιστορίας της ζωής έρχονται δειλά-δειλά στο φως της δημοσιότητας. Η αδρανοποίηση του χρωμοσώματος Χ, φαινόμενο όχι ανεξάρτητο από την ιστορία της ζωής αλλά προερχόμενο από αυτήν και από την ανάγκη συντήρησής της ανά τους αιώνες, εμφανίζει μεγάλο ενδιαφέρον για τον ερευνητή, καθώς παρατηρεί την ανέλιξή της από πρωιμότερες οδούς αντιστάθμισης και εικάζει την περαιτέρω πρόοδό της στο μέλλον. Το κεφάλαιο αυτό συνθέτει την ιστορία της αντιστάθμισης δόσης τα τελευταία 700 εκατομμύρια χρόνια...

4.1.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ

Η έκρηξη στην έρευνα γύρω από το γονιδίωμα, που πυροδοτήθηκε με την ανακάλυψη της δομής των νουκλεϊνικών οξέων από τους Δρ James Watson & Francis Crick το 1953(μονοσέλιδη δημοσίευση Nature 2/4/1953), δε θα μπορούσε να μη συμπεριλάβει το πεδίο της αδρανοποίησης του χρωμοσώματος Χ, αλλά και γενικώτερα αυτό των μηχανισμών αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος. Ωστόσο, η αρχική παντελής έλλειψη πληροφοριών για τις γονιδιακές αλληλουχίες πολλών ειδών στάθηκε ουσιαστικό εμπόδιο για πολλά έτη στην προσπάθεια ανασυγκρότησης όλων των κρίκων της μακροσκελούς αλυσίδας διαδοχικών γεγονότων που οδήγησαν εξελικτικά στους μηχανισμούς αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος, όπως αντιλαμβανόμαστε τους τελευταίους στη σημερινή βιοκοινότητα του πλανήτη. Είναι ίσως χαρακτηριστικό ότι αν και οι πρώτες ερμηνείες για την προέλευση των φαινομένων αντιστάθμισης προηγήθηκαν και αυτής ακόμη της υπόθεσης Lyon (εργασίες Muller&συνεργατών του στη drosophila melanogaster 1948-1960) η πρώτη ολοκληρωμένη υπόθεση για την εξελικτική της αδρανοποίησης δημοσιεύτηκε μόλις το 1998 (Jegalian&Page, Nature 20/8/1998).

Νέες προοπτικές στα ζητήματα εξελικτικής βιολογίας συνολικά ανοίχτηκαν με το πρόγραμμα αποκρυπτογράφησης του ανθρωπίνου γονιδιώματος που πρόσφατα ολοκληρώθηκε, τουλάχιστον ως προς τη βασική φάση του, δηλαδή την πρωτογενή αλληλούχιση του D.N.A. (Nature 15/2/2001 & Science 16/2/2001) . Στα πλαίσια του προγράμματος αυτού πραγματοποιείται η αποκρυπτογράφηση του γονιδιώματος χαρακτηριστικών οργανισμών-μοντέλων ως αντιπροσώπων των διαφόρων μορφών ζωής. Η σύγκριση των αλληλουχιών των ειδών αυτών μεταξύ τους και με αυτές του ανθρώπου φιλοδοξεί να φωτίσει τα σκοτεινά ακόμη σημεία της εξελικτικής διαδικασίας της γονιδιακής αντιστάθμισης. Για την ώρα, οι δημοσιεύσεις που έχουν φιλοξενηθεί σε διεθνή επιστημονικά έντυπα ή στο διαδίκτυο για το ζήτημα αυτό είναι σχετικά περιορισμένες συγκρινόμενες με τον πλούτο των υφιστάμενων πληροφοριών για το βιοχημικό, φυσιολογικό και παθοφυσιολογικό υπόβαθρο της αδρανοποίησης, στηρίζονται δε κυρίως στη σύγκριση των πειραματικά παρατηρούμενων μηχανισμών αντιστάθμισης σε διάφορα είδη και σε υποθέσεις για τη χρονολογική ιεραρχία και συσχέτιση μεταξύ των μηχανισμών αυτών.

4.1.2 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΛΟΓΕΝΕΤΙΚΗ

Προκειμένου να πραγματοποιήσουμε μια σύντομη επισκόπηση της εξέλιξης της αντιστάθμισης της γονιδιακής δόσης είναι απαραίτητο να έχουμε εξοικειωθεί με βασικές γνώσεις για την ιστορία της ζωής πάνω στη γη και τη διαφοροποίηση των ζώντων οργανισμών στη διάρκεια των γεωλογικών αιώνων. Με τον τρόπο αυτό γίνεται ευκολότερα αντιληπτό το χρονολόγιο της διαμόρφωσης φύλων και διακριτών φυλετικών χρωμοσωμάτων, γεγονός που στάθηκε η αιτία της ανάπτυξης μηχανισμών αντιστάθμισης γονιδιακής δόσης. Επίσης, η απόκλιση και διαφοροποίηση των μηχανισμών αυτών υπαγορεύθηκε και εν πολλοίς επιβλήθηκε από τη διαχρονική απόκλιση των ζώντων οργανισμών, με τη φυλογένεση και την ειδογένεση. Οι τελευταίες μελετώνται κατά βάση με τα φυλογενετικά δέντρα.

Τα κλασσικά φυλογενετικά δέντρα άρχισαν να χρησιμοποιούνται ήδη από την εποχή του Κάρολου Δαρβίνου(«η Προέλευση των Ειδών») και αποτέλεσαν το βασικό εργαλείο της εξελικτικής βιολογίας μέχρι το 2ο μισό του 20ου αιώνα, οπότε εμφανίστηκαν τα μοριακά φυλογενετικά δέντρα. Τα κλασσικά φυλογενετικά δέντρα βασίζονται σε δεδομένα ανατομικολειτουργικής σύγκρισης των ζώντων οργανισμών (παραδείγματα αυτής εμφανίζονται ήδη σε έργα του Αριστοτέλη!) καθώς και σε μελέτες απολιθωμάτων και σκελετικών πληθυσμών. Ως βασικό κριτήριο για το διαχωρισμό των ειδών χρησιμοποιείται η ικανότητα των ατόμων του είδους να κυοφορήσουν αναπαραγωγικά ικανά(γόνιμα) άτομα.

Με την πρόοδο της μοριακής βιολογίας και βιοτεχνολογίας το 2ο μισό του 20ου αιώνα και την επακόλουθη ευκολία ανάλυσης αλληλουχιών D.N.A. δόθηκε ένα νέο τύπο φυλογενετικής, τη μοριακή φυλογενετική. Σύμφωνα με την τελευταία, η σύγκριση γονιδιακού υλικού υψηλής συντηρησιμότητας, δηλαδή ανθεκτικού σε ανασυνδυασμούς και μεταλλάξεις σε σχέση με το συνολικό D.N.A., ανάμεσα σε διαφορετικά άτομα του ιδίου ή άλλου είδους αποκαλύπτει τη συγγένειά τους, θεωρώντας τις διαφορές στις αλληλουχίες ως προϊόν τυχαίων μεταλλάξεων που πραγματοποιούνται με προβλέψιμο και γενικά σταθερό ρυθμό(βλ.σχετικά Ε.Μαρίνος, Μοριακή Φυλογενετική στοwww.cate.med.uoa.gr).

Η υπόθεση της εξελικτικής της αδρανοποίησης και της γονιδιακής αντιστάθμισης γενικότερα έχει επωφεληθεί εξαιρετικά από την ανάπτυξη της μοριακής φυλογενετικής. Αυτό οφείλεται στο ότι δεν έχουμε ακόμη αναλυτικά στοιχεία για τον ακριβή μηχανισμό αντιστάθμισης σε κάθε είδος. Στην πραγματικότητα ο μηχανισμός έχει διαλευκανθεί πλήρως μόνο στον c.elegans και τη drosophila melanogaster (Muller et al 1948-1960) ενώ στο mus musculus ακόμη γίνονται συμπληρώσεις επί του υφιστάμενου προτύπου αδρανοποίησης. Σε άλλα είδη, όπως τα μαρσιποφόρα, οι πίθηκοι και τα μονοτρήματα υπάρχουν ακόμη περιορισμένα στοιχεία,ενώ στο homo sapiens παραμένουν σημαντικά ερωτηματικά προς διαλεύκανση. Εξαιτίας αυτής της έλλειξης δεδομένων δεν ήταν δυνατή η διαμόρφωση ενιαίας υπόθεσης για την εξέλιξη της γονιδιακής αντιστάθμισης και της αδρανοποίησης του χρωμοσώματος Χ. Αντίθετα η γονιδιακή σύγκριση των ειδών επιτρέπει την εξαγωγή ασφαλέστερων συμπερασμάτων για την ιστορική ανέλιξη των ειδών και των μηχανισμών αντιστάθμισης παράλληλα.

ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΑΝΑΓΝΩΣΜΑ - ΕΝΘΕΤΟ - ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΦΥΛΟΓΕΝΕΤΙΚΗΣ

Α) Μέθοδος μιτοχονδριακού D.N.A.

H μέθοδος αυτή αξιοποιεί την ιδιαίτερη κληρονόμηση του μιτοχονδριακού D.N.A. για να προβλέψει τη συγγένεια ανάμεσα σε ανθρώπινους πληθυσμούς. Συγκεκριμένα, το μιτοχονδριακό D.N.A. μεταφέρεται μόνο από τη μητέρα προς το παιδί της, διαφορές σε αυτό δε επέρχονται εξαιρετικά δύσκολα, αφού αφορά πληθώρα οργανιδίων(μιτοχόνδρια) και όχι μόνο ένα πυρηνικό αντίγραφο, όπως το υπόλοιπο D.N.A., που θα πρέπει να υποστούν συνολικά μετάλλαξη για να κληρονομηθεί στους απογόνους του ατόμου. Έτσι αποτελεί ιδανικό δείκτη συγγένειας που μάλιστα πρόσφατα χρησιμοποιήθηκε για την απόδειξη της καταγωγής του ανθρώπου από την Αφρική(βλ.Πίτσιος,εξελικτική ανθρωπολογία 2002,μοντέλο της «Εύας»)

Β) Μέθοδος Υ χρωμοσώματος

Η μέθοδος αυτή είναι αντίστοιχη της Α), αξιοποιεί όμως αλληλουχίες του Υ χρωμοσώματος με κληρονόμηση από τον πατέρα στους άρρενες απογόνους του. Εδώ η υψηλή συντηρησιμότητα των αλληλουχιών ενισχύεται από τον κρίσιμο ρόλο του Υ για την αναπαραγωγική λειτουργία του άρρενος, που οδηγεί στην προστασία του από έξωθεν παρεμβάσεις. Η μέθοδος επιβεβαίωσε το μοντέλο της «Εύας» (Πίτσιος 2002).

Γ) Μέθοδος 16s rR.N.A.

H μέθοδος αυτή εκμεταλλεύεται την υψηλή συντηρησιμότητα που εμφανίζει το 16s rR.N.A. προκειμένου να εξαγάγει συμπεράσματα για τη συγγένεια διαφορετικών ειδών. Το 16s rR.N.A. όπως είναι γνωστό χρησιμοποιείται από τα προκαρυωτικά κύτταρα για τη σύνθεση των ριβοσωμάτων, δομικών θέσεων πρωτεϊνοσύνθεσης. Στους ευκαρυώτες εμφανίζεται μεγαλύτερη υπομονάδα rR.N.A. με σημαντική όμως ομολογία προς αυτή των ευκαρυωτικών. Λόγω του δομικού του ρόλου το R.N.A. αυτό κωδικοποιείται από γονίδια που γενικά δε φαίνεται να ενέχονται σε διεργασίες ανασυνδυασμού(αλληλουχίες στα άκρα των χρωμοσωμάτων, συμμετοχή των πυρηνίσκων/πυρηνίων). Έτσι οι όποιες εντοπιζόμενες διαφορές του στα είδη οφείλονται κατά πάσα πιθανότητα σε μεταλλάξεις, πραγματοποιηθείσες σε προβλέψιμο χρόνο στο παρελθόν. Από τη σύγκριση των χρόνων απόκλισης που προκύπτουν δημιουργούνται τα μοριακά φυλογενετικά δέντρα.

4.1.3 ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΗ ΤΗΣ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗΣ

Όπως είναι μάλλον προφανές από τα είδη αναφερθέντα, η αντιστάθμιση της γονιδιακής δόσης αφορά αποκλειστικά τα λεγόμενα γονοχωριστικά είδη, αφού είναι αυτή ακριβώς η διαφοροποίηση του φύλου και η επακόλουθη διαφοροποίηση των φυλετικών χρωμοσωμάτων που επέφερε τη διαφορά στο ποσό του γονιδιώματος(ή ορθότερα του γονιδιακού προϊόντος) ανάμεσα στα ετερόφυλα άτομα του είδους και επέβαλε την ανάπτυξη των μηχανισμών αντιστάθμισης αυτής. Κατά συνέπεια δεν αναμένεται να υπόκεινται σε αδρανοποίηση ή άλλο μηχανισμό αντιστάθμισης δόσης οι προκαρυωτικοί οργανισμοί, καθώς και οι κατώτεροι ευκαρυώτες(π.χ.οι μονοκύτταροι) όπου δεν έχουμε διαφοροποίηση φύλων. Με αυτά τα δεδομένα οι απαρχές της αντιστάθμισης πρέπει να αναζητηθεί όχι νωρίτερα από την εμφάνιση των πρώτων πολυκύτταρων ευκαρυωτών περίπου 700 εκατομμύρια χρόνια πριν(Ευαγγελόπουλος 2002, Πίτσιος 2002)

Μια πρώτη σημαντική διαφοροποίηση ανάμεσα σε οργανισμούς που εμφανίζουν αντισταθμιστικά μέτρα γίνεται μεταξύ αυτών που εμφανίζουν ετερογένεια φυλετικών χρωμοσωμάτων και αυτών που εμφανίζουν πιο πρώιμες μεθοδολογίες διάκρισης φύλου, με ένα βασικό τύπο χρωμοσώματος συνδεδεμένο με αυτή. Στη δεύτερη κατηγορία φαίνεται ότι ανήκουν τα νηματώδη(νηματώδεις σκώληκες), με εκτιμώμενο χρόνο απόκλισης περίπου 600 εκατομμύρια χρόνια πριν και οργανισμό μοντέλο το caernorhabditis elegans. Στους σκώληκες αυτούς το φύλο φαίνεται πως καθορίζεται από τον αριθμό των μορφολογικά όμοιων φυλετικών χρωμοσωμάτων σε σχέση με τον αριθμό των αυτοσωμάτων. Άτομα με δύο φυλετικά χρωμοσώματα αναπτύσσουν ερμαφροδιτισμό ενώ άτομα με ένα μόνο φυλετικό χρωμόσωμα ανήκουν στο αρσενικό φύλο. Στην περίπτωση των νηματωδών η αντιστάθμιση επιτυγχάνεται με την υποέκφραση των γονιδίων του δισωμικού ατόμου, ώστε να μην υπολείπεται σε γονιδιακό προϊόν το άρρεν μονοσωμικό άτομο. Ένας τέτοιος μηχανισμός απαιτεί τη δυνατότητα καταμέτρησης του αριθμού των φυλετικών χρωμοσωμάτων και στη συνέχεια ενεργοποίηση γονιδίων και ενζύμων για την επίτευξη της μεταγραφικής καταστολής. Τέτοιοι μηχανισμοί ενυπάρχουν εγγενώς στη βασική γονιδιακή ρύθμιση(π.χ.μεθυλίωση) ώστε ο όλος μηχανισμός τελικά εμφανίζει μικρές απαιτήσεις ανάπτυξης νέων κυτταρικών διεργασιών, γεγονός ενδεικτικό της απλότητάς του, αλλά και της εξελικτικής του κατωτερότητας(ανάπτυξη σε προγενέστερο χρόνο λόγω των μικρών απαιτήσεων).

Σε ανώτερους εξελικτικά οργανισμούς παρατηρείται διάκριση 2(ή και περισσοτέρων) ειδών φυλετικών χρωμοσωμάτων με την παρουσία ή απουσία ενός ιδιαίτερου χρωμοσωμικού τύπου να αποτελεί σε κάθε οργανισμό το καθοριστικό κριτήριο για τη διάκριση του φύλου. Συγκεκριμένα στα θηλαστικά (και επομένως και στο homo sapiens) το Υ χρωμόσωμα παίζει το ρόλο του φυλοκαθοριστή, εφόσων η παρουσία του καθορίζει το φυσιολογικό αρσενικό άτομο ΧΥ και η απουσία του το φυσιολογικό θηλυκό άτομο ΧΧ. Αντίθετα στα πτηνά και τα ψάρια το χρωμόσωμα –φυλοκαθοριστής είναι το W και καθορίζει το θήλυ άτομο WZ, ενώ η απουσία του το άρρεν άτομο ZZ. Σημειώνεται ότι στη φρουτόμυγα drosophila melanogaster, οργανισμό-μοντέλο των αρθροπόδων, παρατηρείται διαφοροποίηση Χ και Υ χρωμοσωμάτων. Ωστόσο η εκτιμώμενη(μέσω μοριακής φυλογενετικής,βλ.ένθετο) περίοδος έναρξης της ανάπτυξης της διαφοροποίησης των Χ και Υ χρωμοσωμάτων στα θηλαστικά (300 εκατομμύρια χρόνια πριν) δε συνάδει με το χρόνο απόκλισης της εξελικτικής γραμμής της drosophila(500 εκατομμύρια χρόνια πριν) . Έτσι δε μπορεί να δικαιολογηθεί κοινή βιοχημική προέλευση των Χ-Υ ζευγών σε θηλαστικά και αρθρόποδα, αφού μάλιστα αυτή δεν προκύπτει ούτε από τη σύγκριση της σύστασής τους (Muller et al,Lyon). Κατά συνέπεια πρόκειται για διακριτά χρωμοσώματα, που προήλθαν σε ξεχωριστό χρόνο από τη διαφοροποίηση άλλων αυτοσωμικών χρωμοσωμάτων.

Η αντιστάθμιση του γονιδιακού πλεονάσματος στη drosophila melanogaster διαλευκάνθηκε με τις μελέτες του Muller(1948-1960). Φαίνεται πως η γονιδιακή αντιστάθμιση επιτυγχάνεται με υπερλειτουργία του μοναδικού Χ χρωμοσώματος του αρσενικού ατόμου, προκειμένου να καλυφθεί το έλλειμμα γονιδιακού προϊόντος ως προς τα δισωμικά θήλεα άτομα. Ένας τέτοιος μηχανισμός απαιτεί την ανάπτυξη μεθοδολογίας καταμέτρησης των φυλετικών χρωμοσωμάτων καθώς και επιστράτευση σειράς γονιδίων και μεταγραφικών πρωτεϊνικών παραγόντων για να πετύχουν την απαιτούμενη υπερέκφραση του μονήρους αρσενικού Χ χρωμοσώματος, με συνοδό κόστος σε ενέργεια και χρόνο. Η μεθοδολογία αυτή είναι επομένως προϊόν εξελικτικής προσαρμογής που δικαιολογεί τη χρονική απόστασή της(100 εκατομμύρια χρόνια) από το προηγούμενο στοιχειώδες πρότυπο του elegans.

Τα μοντέλα αντιστάθμισης δόσης στον elegans και τη drosophila αναλύονται διεξοδικά στο επόμενο κεφάλαιο (4.2).

4.1.4 ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΗ ΤΗΣ ΑΔΡΑΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ Χ

Η αδρανοποίηση του χρωμοσώματος Χ αποτελεί τον πλέον σύγχρονο μηχανισμό αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος και τον μηχανισμό που τυγχάνει της μέγιστης μελέτης εξαιτίας του ιδιαίτερου ενδιαφέροντος που παρουσιάζει αναφορικά με τη φυσιολογία και παθοφυσιολογία του ανθρώπου. Η αδρανοποίηση θεωρείται κατεξοχήν μηχανισμός των θηλαστικών(Lyon 1962), με την έναρξή της διαμόρφωσής του 300 περίπου εκατομμύρια χρόνια πριν να συμπίπτει με την απόκλιση της ιδιαίτερης εξελικτικής γραμμής των θηλαστικών και τις ιδιαίτερες εκφάνσεις της να διαφοροποιούνται ανά κατηγορία θηλαστικών(μονοτρήματα, μαρσιποφόρα(Riggs1990), πλακουντοφόρα και ειδικότερα τρωκτικά, πίθηκοι και βέβαια Homo sapiens).

Σε αυτό το σημείο πρέπει να επισημανθεί ότι μελέτες έδειξαν την ύπαρξη μηχανισμών «εξουδετέρωσης» των φυλετικών χρωμοσωμάτων σε έντομα όπως οι μύγες Sciara(Brown 1975,Lyon 1984&1988). Ανεξάρτητα από τις ομοιότητες που ο μηχανισμός αυτός εμφανίζει σε σχέση με την αδρανοποίηση στα θηλαστικά δε θα πρέπει να συνδέεται άμεσα με αυτήν, όπως εξηγήθηκε και προηγουμένως σε σχέση με τα Χ και Υ χρωμοσώματα της drosophila.

Προφανώς πριν την ανάπτυξη της αδρανοποίησης του χρωμοσώματος Χ προηγήθηκε η ανάπτυξη των διακριτών Χ και Υ φυλετικών χρωμοσωμάτων των θηλαστικών από αρχικό αυτοσωμικό ζεύγος χρωμοσωμάτων. Σύμφωνα με πρόσφατες δημοσιεύσεις(Jegalian&Page1998,Jegalian&Lahn 2001) η σύγκριση της γονιδιακής σύστασης/αλληλουχίας των Χ και Υ χρωμοσωμάτων(%ομολογίας) στα διάφορα θηλαστικά οδηγεί στο συμπέρασμα πως η ανάπτυξη διακριτών Χ και Υ φυλετικών χρωμοσωμάτων προέκυψε σε 4 χρονικά ανεξάρτητα μεταξύ τους εξελικτικά στάδια, καθένα από τα οποία προήλθε από αδυναμία ανασυνδυασμού των αρχικά ομόλογων χρωμοσωμάτων με συνέπεια αποσταθεροποίησή τους(ιδίως του Υ) και διαρκή απόκλιση μεταξύ τους.

Σύμφωνα με το μοντέλο Jegalian-Lahn του 1999 περισσότερο από 400 εκατομμύρια χρόνια πριν η κοινή προγονική μορφή θηλαστικών και ερπετών (πριν την απόκλιση της ιδιαίτερης γραμμής των θηλαστικών περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια πριν) διέθετε ακόμη άθικτο το αυτοσωμικό ζεύγος ομολόγων χρωμοσωμάτων που θα εξελίχθηκε σε Χ και Υ χρωμόσωμα αργότερα. Κατά συνέπεια τα 2 χρωμοσώματα εμφάνιζαν την αυτή μορφολογία και παρουσίαζαν ατάρακτο μηχανισμό ανασυνδυασμού κατά τη μειωτική διαίρεση Ι.

Σε ένα επόμενο εξελικτικό στάδιο φαίνεται ότι τμήμα του ενός χρωμοσώματος (μελλοντικού Υ) του ζεύγους υπέστη κατά τη διάρκεια της μείωσης αναστροφή, με αποτέλεσμα να αρθεί η ομόλογη παραλληλία του προς το έτερο χρωμόσωμα του ζεύγους, που αποτελεί προϋπόθεση ορθού ανασυνδυασμού. Από το στάδιο αυτό και μετά η ανικανότητα ανασυνδυασμού εμφάνισε υποχώρηση με το πέρασμα των γενεών, καθώς τα δύο χρωμοσώματα απέκλιναν και μορφολογικά και άρχισαν να ακολουθούν διακριτούς πλέον δρόμους.

Η πρώτη περιοχή στην οποία παρατηρήθηκε απώλεια ανασυνδυασμού θεωρείται σήμερα πως ήταν η περιοχή του σημερινού γονιδίου Sry, που όπως και άλλα γονίδια του Υ απέκτησε εκ των υστέρων γονοκαθοριστικό ρόλο, υποκείμενο σε σειρά τροποποιήσεων των αλληλουχιών του και της ρύθμισης αυτών. Το στάδιο αυτό εντοπίζεται περίπου 240-320 εκατομμύρια χρόνια πριν, πράγμα που συμφωνεί με την συμπεριφορά των μονοτρημάτων θηλαστικών(απόκλιση 300 εκατομμύρια χρόνια πριν) που διαθέτουν Sry γονίδιο και μόνο γύρω από αυτό περιοχή μη ανασυνδυαζόμενη στα Χ και Υ.

Μια δεύτερη φάση απόκλισης ως συνέπεια δεύτερου λάθους κατά των ανασυνδυασμό εντοπίζεται 130-170 εκατομμύρια χρόνια πριν κατά τη διάκριση πλακουντοφόρων και μαρσιποφόρων θηλαστικών.

Ήδη από τα δύο πρώτα αυτά στάδια απόκλισης κατέστη προβληματική η διαφοροποίηση του ποσού του γονιδιακού προϊόντος στα ετερόφυλα θηλαστικά, εφόσων το υποκείμενο σε αναστροφή χρωμόσωμα Υ είχε ήδη απωλέσει σημαντικό % των αλληλουχιών του φαινομενικά άθικτου Χ. Η αντιμετώπιση του προβλήματος οδήγησε στην ανάπτυξη του μηχανισμού της αδρανοποίησης. Ωστόσο, όπως είναι λογικό, αυτό συνέβη σε βάθος χρόνου και ενώ η απόκλιση Χ και Υ συνεχιζόταν. (Αρχικά πιθανόν να επιστρατεύθηκαν απλούστερες μεθοδολογίες αύξησης της δραστικότητας του αρσενικού Χ, όπως στη drosophila melanogaster). Ένα γνωστό παράδειγμα σταδιακής εξέλιξης των «εργαλείων» της αδρανοποίησης παρέχουν οι αλληλουχίες line1 που συγκρατούν το Xist R.N.A.κατά την επέκταση της αδρανοποίησης και απαιτούνται για τη σταθερότητα αυτής. Αυτές εξαπλώθηκαν στο Χ των πλακουντοφόρων περίπου 100-60 εκατομμύρια χρόνια πριν. Κατά συνέπεια τα μαρσιποφόρα απέκλιναν πριν την πλήρη διαμόρφωση αυτών, με συνέπεια την αστάθεια της αδρανοποίησης στα άτομα αυτά,δικαιολογούμενη επιπλέον και από την έλλειψη μορφοποιημένου προτύπου μεθυλίωσης(Riggs 1990).

Αναφορικά με την περίοδο αυτή παρουσιάζει ενδιαφέρον η ανάπτυξη μη τυχαίας αδρανοποίησης, συγκεκριμένα με επιλογή σε βάρος του πατρικού χρωμοσώματος Χ. Πράγματι αυτό ισχύει πλήρως για τα μαρσιποφόρα θηλαστικά(Lyon1992) και ειδικά για τους εξωεμβρυϊκούς ιστούς του mus musculus(Lyon 1962) ενώ στον άνθρωπο η αδρανοποίηση εμφανίζει κατά βάση τυχαία επιλογή γονεϊκής προέλευσης του Χi με εξαίρεση παθολογικές καταστάσεις. Φαίνεται ότι σε πρώτη φάση η επιλογή του πατρικού Χ(imprinting) βοήθησε τους οργανισμούς να διακρίνουν a priori το αδρανοποιήσιμο Χ προς αποφυγή υπεραδρανοποίησης ή υποαδρανοποίησης από λάθος του υπό διαμόρφωση μηχανισμού καταμέτρησης και επιλογής(Lyon 1988). Αργότερα η ωρίμανση των μηχανισμών αυτών επέτρεψε την καθιέρωση τυχαίας αδρανοποίησης, που πλεονεκτεί λόγω μεγαλύτερης ευστάθειας(ίσως με συμβολή του Tsix) και λόγω δυνατότητας διαμόρφωσης μωσαϊκών θηλυκών ατόμων με υγιή ή ήπιο παθολογικό φαινότυπο, όταν το μητρικό Χ χρωμόσωμα φέρει παθολογικά αλληλόμορφα γονίδια.

Συνεχίζοντας την ιστορική επισκόπηση συναντάμε, πάντα με βάση τη μελέτη ομολογίας Χ και Υ στα θηλαστικά των Jegalian-Lahn του 1999, μια τρίτη φάση αποτυχίας ανασυνδυασμού των Χ και Υ, 80 ως 130 εκατομμύρια χρόνια πριν και μια τελική φάση που τοποθετείται 30 ως 50 εκατομμύρια χρόνια πριν, στο στάδιο αρχικής διάκρισης των πρωτευόντων. Επισημαίνεται ότι στους πιθήκους εμφανίζονται μωσαϊκοί φαινότυποι(έγχρωμη όραση), πιθανότατα αποκαλύπτοντας μια τυχαία φόρμα αδρανοποίησης και στα ζώα αυτά(Lyon 1988).

Ολοκληρώνοντας την ανασκόπησή μας ας επισημάνουμε κάτι ακόμη. Η αδρανοποίηση δεν αναπτύχθηκε από τη μια μέρα στην άλλη ούτε en block κατά μήκος του Χ. Αντίθετα, όλο και περισσότερο γίνεται αποδεκτό ότι εξελίχθηκε κατά ομάδες γονιδίων, διακρίνοντας σε αυτές ποιο γονίδιο πρέπει να αδρανοποιηθεί και ποιο να εξαιρεθεί(κυρίως λόγω διατήρησης ομολόγου στο Υ).

4.1.5 ΑΔΥΝΑΜΙΕΣ & ΕΛΛΕΙΨΕΙΣ : ΠΡΟΟΠΤΙΚΗ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ

Όπως είδαμε οι γνώσεις μας για το παρελθόν της γονιδιακής αντιστάθμισης έχουν εμπλουτιστεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Αυτό βέβαια δε σημαίνει πως η εικόνα μας είναι εντελώς ξεκάθαρη. Αντίθετα αναπάντητα μένουν ερωτήματα όπως:

• Τι προκάλεσε την αρχική αναστροφή του Υ και πως αυτή έδωσε πλεονέκτημα στους φορείς της, ώστε να κληροδοτηθεί στις επόμενες γενιές;
• Ποια η ακριβής σχέση της αδρανοποίησης στα θηλαστικά με ανάλογα σχήματα σε κατώτερα είδη;
• Πως ακριβώς εξυπηρετήθηκε η απαίτηση αντιστάθμισης στα «νεκρά» διαστήματα που μεσολάβησαν ως την ανάπτυξη των μηχανισμών που έχουν διαπιστωθεί;
• Πως εξηγείται η συντήρηση παθολογικών μοτίβων αδρανοποίησης, με επιλογή υπέρ του παθολογικού αλληλομόρφου(π.χ.R.S.A.) μετά από τόσα χρόνια προσαρμογής;
• Πως εξελίχθηκαν τα στοιχεία της αδρανοποίησης, όπως το X.I.S.T., το X.I.C., ο μηχανισμός καταμέτρησης και επιλογής;
• Τι επιφυλάσσει το μέλλον στους μηχανισμούς αδρανοποίησης και αντιστάθμισης δόσης, εφόσων και αυτοί υπόκεινται σε διαρκή εξελικτική πίεση και υφίσταται η δυνατότητα προσαρμογής τους(σε συνάρτηση και με τη θεωρεία συνεχούς φθοράς του Υ, άρα επιπλέον απώλειας της Χ-Υ ομολογίας);

Όλα αυτά τα ερωτήματα είναι βέβαιο πως θα απασχολήσουν την έρευνα του αύριο.

ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ΚΥΡΙΑ ΣΗΜΕΙΑ

• Η εξελικτική βιολογία ασχολείται πλέον ζωηρά με θέματα αντιστάθμισης δόσης και αδρανοποίησης.
• Η μοριακή φυλογενετική έδωσε πλούσιο υλικό στην εξελικτική της αντιστάθμισης, αλλά και του γονιδιώματος γενικώτερα
• Μηχανισμοί αντιστάθμισης εμφανίζονται μόνο σε είδη με διακριτά φύλα
• Ο πρωιμότερος μηχανισμός αντιστάθμισης που γνωρίζουμε αφορά την υποέκφραση του Χ στα νηματώδη
• Σε είδη με διακριτούς τύπους φυλετικών χρωμοσωμάτων τα πράγματα είναι πιο σύνθετα
• Στα αρθρόποδα φαίνεται πως υπερδραστηριοποιείται το μονήρες Χ του αρσενικού ατόμου.
• Η αδρανοποίηση του Χ είναι ο νεώτερος και πλέον σύνθετος μηχανισμός αντιστάθμισης
• Η αδρανοποίηση αφορά μόνο τα θηλαστικά
• Η αδρανοποίηση εξελίχθηκε παράλληλα με τα 4 στάδια απόκλισης Χ & Υ χρωμοσωμάτων
• Ανάμεσα στα θηλαστικά η αδρανοποίηση κλιμακώθηκε διαχρονικά από ασταθέστερη σε σταθερή
• Η αδρανοποίηση του πατρικού Χ χρωμοσώματος αντικαταστάθηκε από την τυχαία, η οποία φαίνεται ότι παρέχει ουσιαστικότερα πλεονεκτήματα στους φορείς τις.
• Συνολικά η αδρανοποίηση πραγματοποιήθηκε κατά χώρες – ομάδες χρωμοσωμάτων και όχι μονομιάς σε όλο το Χ.
• Η εξέλιξη φρόντισε για τη συντήρηση στο Υ γονιδίων οικιακής χρήσης(housekeeping) ομολόγων του Χ, που επομένως στο Χ διαφεύγουν της αδρανοποίησης
• Τα γονίδια που απέκλιναν πρώτα απέκτησαν στο Υ φυλοκαθοριστικό ρόλο, με καλύτερο παράδειγμα το φερόμενο ως γονίδιο – πηγή της Χ – Υ διαφορ/σης, δηλαδή το γονίδιο Sry.
• Υπάρχουν σημαντικά ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν στο μέλλον και αφορούν διάφορα κενά στις γνώσεις μας περί Χ και αδρανοποίησης αυτού

Σημειώνεται ότι η παρακάτω βιβλιογραφία είναι ενδεικτική και αναφέρεται στα πιο περιεκτικά δημοσιεύματα, ομαδοποιημένα κατά κατηγορίες για ευκολότερη πρόσβαση. Επιπλέον οι πηγές αυτές αναφέρονται σε όλο το υλικό που συνέταξε στα πλαίσια της μελέτης ο συντονιστής της συγγραφικής ομάδας Γ.Μ. Λαβράνος.

Α) ΣΥΓΓΡΑΜΜΑΤΑ

i) ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΟΙ ΤΙΤΛΟΙ ΒΙΒΛΙΩΝ

1. Alberts B.et al, Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Ιατρικές εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης 2000
2. Alberts B.et al,Molecular Biology of the cell,Garland 1998
3. Barr M.,the sex chromatin in a salute to excellence, Canadian Health Institute 1992
4. Gelehrter T.&Collins F., Αρχές Ιατρικής Γενετικής, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης 1995
5. Junqueira L., Βασική Ιστολογία, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης 1991
6. Lewin, Genes O.U.P.2000
7. Moore K., Έγχρωμη Κλινική Εμβρυολογία, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης
8. Ο’Rahilly R.&Muller F., Εμβρυολογία & Τερατολογία του ανθρώπου, Ιατρικές εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης 2000
9. Vander Α.,Φυσιολογία του ανθρώπου,Ιατρικές εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης 2001
10. Wheater P., Λειτουργική Ιστολογία, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης 2002
11. Zubay G. et al, Αρχές Βιοχημείας,τόμος Ι, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης 1999

ιι) ΕΛΛΗΝΙΚΟΙ ΤΙΤΛΟΙ ΒΙΒΛΙΩΝ

1. Αγγελοπούλου Ρ., Εμβρυολογία, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης
2. Αγγελοπούλου Ρ., Πειραματική Εμβρυολογία, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης
3. Κλούρας Ν., Βασική Ανόργανη Χημεία, Εκδόσεις Τραυλός 1995
4. Πίτσιος Θ., Εξελικτική Ανθρωπολογία, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης 2002
5. Προυκάκης Χ., Ιατρική Φυσική, τόμος Α’(Ακτινοφυσική), Επιστημονικές Εκδόσεις Γ. Παρισιάνος 1983

ιιι) ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

1. Αγγελοπούλου Ρ.,Σημειώσεις εμβρυολογίας Ι, Ιατρική Σχολή Ε.Κ.Π.Α. 2002-2003
2. Ανάγνου Ν.Π., Σημειώσεις βιολογίας ΙΙ, Ιατρική Σχολή Ε.Κ.Π.Α. 2002
3. Μαρίνος Ε., Σημειώσεις βιολογίας Ι (διαδικτυακή διανομή), Ιατρική Σχολή Ε.Κ.Π.Α. 2001
4. Μαρίνος Ε., Σημειώσεις εξελικτικής βιολογίας & γενετικής πληθυσμών (διαδικτυακή διανομή), Ιατρική Σχολή Ε.Κ.Π.Α. 2002
5. Τρούγκος Κ., Σημειώσεις σεμιναρίου ιστορίας της επιστήμης του γονιδιώματος, Ιατρική Σχολή Ε.Κ.Π.Α. 2002

ιν) ΑΦΙΕΡΩΜΑΤΑ – ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΕΙΣ ( REVIEWS )

1. Ευαγγελόπουλος Α. & Γιανναράκης Γ., αφιέρωμα στη Γενετική, διανομή με το περιοδικό R.A.M., τεύχος Οκτωβρίου 2002
2. Σέκερης Κ. & Τρούγκος Κ., Μοριακή βιολογία: εξελίξεις και προοπτικές, περιοδικό Ιατρική 2000 77(4):333-336
3. Avner,Clerc,Heard, X chromosome inactivation in mammals, annual review of genetics 1997, 31:571-610

B) ΑΡΘΡΑ

(επιλογή αντιπροσωπευτικών κειμένων, για περισσότερα βλ.παραπομπές στη μελέτη)

1. Beutler E. “The hemolytic effect of primaquine and related compounds: a review” Blood 14:103-139, 1959
2. Bresnick E.&Forsberg E. “Histone acetylation beyond promoters:long-range acetylation patterns in the chromatin world”,Bioessays 23/9/2001
3. Cobb K. , “Alleged X chromosome activator may be a dud”,science news 17/8/2002
4. Ellison et al. “ Molecular characterization of a ring-X chromosome in a male with short stature”, Springer-Verlag 2002.
5. Jegalian K.&Lahn B. “Why the Y is so weird?”, Scientific American , issue of February 2001
6. Jegalian K.&Page D. “A proposed path by which genes common to mammalian X and Y Chromosomes evolve to become inactivated” Nature 20/8/1998
7. Landau M. “X-ing out the females extra X chromosome”, Focus, 13/12/2000
8. Lyon M. “Gene action in the X-chromosome of the mouse” ,Nature 22/4/1961
9. Lyon M. “Sex chromatin and gene action in the mammalian X-chromosome” American.Journal of Human Genetics 14:135-48 (1962)
10. Lyon M. “The William Allan Memorial Award Address: X-chromosome in activation and the location and expression of X-linked genes”, American Journal of Human Genetics, 42:8-16, (1988)
11. Lyon M. “Some milestones in the history of X-chromosome in activation”, Annu. Rev. Gener. 1992: 26, 17-28
12. Lyon M. “ The discovery of X-chromosome in activation” (2001)
13. Migeon et al, “The severe phenotype of females with tiny ring X chromosomes is associated with inability of these chromosomes to undergo X inactivation”, Am.J.Hum.Gen. 1994,Sep;55(3):497-504
14. Ohno S. Exp.cell res. 18,415 (1960)
15. Ohno S. “Sex chromosomes and sex-linked genes”Springer Verlag 1967
16. Page D. “New evidence pushes back age of sex-determining chromosomes” HHMI news 28/10/1999
17. Page D. “Rate of mutations in male X chromosome lower than expected”, HHMI news 10/8/2000
18. Pegoraro, “Highly skewed X-chromosome inactivation is associated with idiopathic recurrent spontaneous abortion, Am.J.Hum.Gen. 65:252-254,1999
19. Riggs A. Marsupials and mechanisms of X chromosome inactivation Aust. J. Zoology 37:419-41, 1990
20. Russell L. J.W.Gen.44,532 (1959)
21. Travis J. “ Silence of the Xs”, Science News, 5/08/2000
22. Watson J.& Crick F. “A Structure for D.N.A.”, Nature 2/04/1953

Εργασία που παρουσιάστηκε από το φοιτητή Ιατρικής Λαβράνο Γιάγκο
στα πλαίσια του κατ'επιλογήν μαθήματος της Πειραματικής Εμβρυολογίας
Υπεύθυνη μαθήματος : Ρωξάνη Αγγελοπούλου, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια
Εργαστήριο Ιστολογίας και Εμβρυολογίας
Ιατρική Σχολή Πανεπιστημίου Αθηνών
Για περισσότερες πληροφορίες μπορείτε να ανατρέξετε στον ιστότοπο του μαθήματος της Πειραματικής Εμβρυολογίας: http://www.med.uoa.gr/expembr/
Τελευταία αναθεώρηση : 1/5/2006