Hromosom Y

Y hromosom, kao seks-određujući hromosom, otkrila je Nettie Stevens u Bryn Mawr College, 1905., tokom studija o insektu brašnaru (Tenebrio molitor). Iste godine je, nezavisno od nje, Edmund Beecher Wilson otkrio iste mehanizme. Stevensova je pretpostavljla da je ovaj hromosom uvijek u paru, a i da je Y hromosom parnjak X hromosoma otkrio je Hermann Henking, 1890. Shvaćeno je da je prethodna ideja Clarencea Erwina McClunga, da X hromosom određuje spol, ispravna i da je Seks-određujući sistem ustvari, uvijek u vezi sa prisustvom ili odsustvom Y hromosoma. Stevens je proglasio simbol hromosoma Y, a zbog pojednostavljenja praćenjaja, iz Henkingove postavke je preuzeo X i ove spolne hromosome predao po abecedi.^[7][8]

Rasprostranjeno mišljenje da je Y hromosom je dobio ime po sličnosti slovu "Y" je pogrešna. Svi hromosomi obično se pojavljuju kao amorfna masa pod mikroskopom, a dobro se raspoznaju samo tokom ćelijske diobe (mitoza i mejoza). Oblik slova X je nejasan za sve hromosome. Potpuno je slučajo da Y hromosom, tokom mitoze, ima dva vrlo kratka terminalna ogranka što mu daje oblik Y-a.^[9]

Varijacije

Većina sisara imaju samo jedan par spolnih hromosoma u svakoj ćeliji. Mužjaci imaju po jedan Y i X hromosom (XY), dok ženke imaju dva X-a (XX). U sisara, Y hromosom sadrži gen SRY, što izaziva embrionalni razvoj muškarca. Y hromosom ljudi i drugih sisara sadrži i druge gene potrebne za normalnu proizvodnju sperme. Međutim, u tom pogledu, postoje i iznimke. Naprimjer, kod kljunara, XY sistem determinacije spola zasniva se na pet parova hromosoma.^[10] Spolni heomosomi u monotipskom rodu Platypus zapravo imaju mnogo jaču homologiju (sličnost) sa ptičjim Z hromosomima,^[11] a gen SRY, koji je toliko važan za određivanje spola kod većine drugih sisara, očigledno nije uključen u određivanje spola kod kljunara.^[12] Među ljudima, neki muškarci imaju dva X i Y (XXY, vidi Klinefelterov sindrom) ili jedan X i dva Y (vidi XYY sindrom) i neke žene imaju tri X ili jedan X umjesto dvostrukog X (X0, vidi Turnerov sindrom). Postoje i drugi izuzeci u kojima je SRY oštećen (što dovodi do XY žena) ili kopiran na X (što dovodi do sindroma XX muškarci). Za srodne pojave, pogledajte sindrom neosjetljivosti na androgen i interseksi.

Prije postanka Y hromosoma

Mnogi ektotermni (poikilotermni) kičmenjaci nemaju spolne hromosome. Ako oni imaju različite spolove, oni su određeni više ekološki nego genetički. Za neke od njih, posebno gmiravce spol zavisi od temperature inkubacije; drugi su hermafroditi (što znači da ista jedinka producira i muške i ženske spolne ćelije).

Porijeklo

X i Y hromosomi su evoluirali iz para identičnih hromosoma.^[13][14] zvanih autosomi, kada su se kod sisarskih predaka razvile alelne varijacije, takozvanog seks lokusa- jednostavno posjedovanje ovog alela odredilo je da takav organizam bude mužjak. Hromosom s ovim alela postao je Y, dok je drugi član para postao X hromosom. Vremenom, geni koji su bili korisni za mužjake i štetni ili nisu imali naikakvog efekta kod ženki, razvili su Y hromosom, ili su ga stekli u procesu hromosomskih translokacija.^[15]

Sve do nedavno, za X i Y hromosome se mislilo da su se razišli prije oko 300 milijuna godina. Međutim, istraživanje objavljeno u 2010.,^[16] and particularly research published in 2008 documenting the sequencing of the platypus genome, sugeriralo je da se XY seks-determinirajući sistem nije bio prisutan pre više od 166 miliona godina, na evolucijskoj raskrsnici monotremata i drugih sisara. Ova re-estimacija starosti terijskog XY sistema temelji se na zaključku da sekvence koje se nalaze na X hromosomu torbara i placentnih sisara su prisutni na autosomma kljunara i ptica. Starije procjene su počivale na pogrešnim nalazima da kljunarovi X hromosomi sadrže takve sekvence.^[17]

Inhibicija rekombinacije

Rekombinacije između X i Y hromosoma su se pokazala kao štetne, jer su kod mužjaka rezultirale nedostatkom potrebnih gena, a kod ženki pojavom nepotrebnih ili čak štetnih gena. Kao rezultat toga, korisni geni mužjaka u blizini gena za determinaciju spola određuju i rekombinacije u ovoj regiji, koje su potisnute u cilju očuvanja ove muški specifične regije.

Vremenom, Y hromosom se promijenio na takav način da inhibira područja oko gena za određivanje spola, iz međusobnog kombinovanja sa X hromosomom. Kao rezultat tog procesa, 95% ljudskog Y hromosom je u stanju da rekombinuje, pri čemu rekombiniraju samo vrhovi Y i X hromosoma. Segmenti Y hromosoma koji mogu rekombinirati sa X hromosomom nazivaju se pseudoautosomne regije. Ostatak Y hromosoma se netaknut prenosi na sljedeću generaciju. Zato se respektira pravilo da je Y hromosom vrhunski alat za istraživanje nedavne ljudske evolucije (po muškoj liniji).

Degeneracija

Po jednoj procjeni, ljudski Y hromosom je izgubio 1.393 od svojih 1.438 gena tokom svog postojanja, a linearna ekstrapolacija ovog gubitka 1.393 gena trajala je više od 300 miliona godina, što daje stopu genetičkog gubitka od 4,6 gena po milionu godina.^[18] Nastavi li se takav gubitak gena, taj proces bi mogao rezultirati nastankom Y hromosoma bez funkcionalnih gena, što znači da bi Y hromosom potpuno izgubio svoju današnju funkciju - u narednih 10 miliona godina, ili pola tog vremena sa aktuelnim procjenom od 160 miliona godina od postanka.^[19][20] Uporedna genomska analiza otkriva da mnoge vrste sisara doživljavaju sličan gubitak funkcije u svom heterozigotnom spolnom hromosomu. Degeneracija može jednostavno biti sudbina svih nekombiniranih spolnih hromosoma, zbog tri zajedničke evolucijske sile: visoka stopa mutiranja, neefikasna selekcija i genetički drift.^[19]Međutim, poređenja ljudskog i šimpanzinog Y hromosoma (prvi put objavljeno u 2005.) pokazuju da ljudski hromosom Y nije izgubio bilo kakve gene od divergencije ljudi i čimpanzi prije između 6-7 miliona godina,^[21], a u izvještaju iz 2012. se navodi da je kod ljudi izgubljen samo jedan, otkako su se razišli s rezus makakijem, prije 25 miliona godina.^[22] Ove činjenice pružaju direktan dokaz da je linearni model ekstrapolacije manjkav i ukazuju na to da se trenutni ljudski Y hromosom više ne smanjuje ili se smanjuje mnogo sporije od 4,6 gena po miliona godina (procijenjeno po linearnom modelu ekstrapolacije).

Stopa mutiranja

Zbog svog okruženja, ljudski Y hromosom ima posebno visoku stopu mutiranja. Y hromosom se prenosi isključivo putem spermatozoida, koji prolaze kroz višestruke ćelijske diobe u procesu gametogeneze. Svaka ćelijska dioba pruža više mogućnosti da se akumuliraju mutacije baznih parova. Pored toga, sperma se čuva u vrlo oksidativnom okruženju testisa, što podstiče daljnje mutacije. Kombinacija ova dva uvjeta stavlja Y hromosom u veći rizik od mutacija od ostatka genoma^[19] Povećani rizik od mutacija za Y hromosom je izvijestio Graves kao faktor 4.8.^[19] Međutim, referentni originalni iznos relativne stope mutacija u muškim i ženskim germinativnim linijama vodi ka situaciji kao kod ljudi.^[23]

Neefikasnost selekcije

Bez mogućnosti da se rekombinuje tokom mejoze, Y hromosom ne podliježe prirodnoj selekciji pojedinih alela. Štetni aleli se "provlače" s korisnim susjedima, što omogućava propagiranje maladaptivnih alela u sljedeću generaciju. Nasuprot tome, prednost alela može biti neutralizirana ako su okruženi štetnim alelima. Zbog ove nemogućnosti da se sortiraju u paketu sa sadržajem okolnih gena, Y hromosom je posebno sklonn akumulaciji nekodirajućih DNK sekvenci. Masivne akumulacije retrotransposibilnih elemenata su rasute širom Y.^[19] Slučajna ubacivanja DNK segmenata često remete kodirajuće sekvence gena i čini ih nefunkcionalnim. Međutim, Y hromosom nema načina izbacivanja ovih "skakajućih gena". Bez mogućnost da se izoluju ti aleli, izbor ne može efikasno djelovanje na njih.

Kvantitativni pokazatelj ove neefikasnosti je stopa entropije Y hromosoma. Dok su svi ostali hromosomi u ljudskog genoma imaju stope entropije 1,5-1,9 bita po nukleotidu (u odnosu na teorijki maksimum od tačno 2 bez viška aktivnih), entropijska stopa Y hromosoma je tek 0,84.^[24] To znači da Y hromosom sadrži mnogo manje informacija u odnosu na svoju ukupnu dužinu; to sugerira pretpostavku da je više suvišan.

Genetički drift

Čak i ako nije dobro prilagođen, Y hromosom uspijeva da održi genetičke aktivnosti izbjegavajući akumulacije mutacija, ali nije apsolutno sigurno da će se naći narednim generacijama. Veličina populacije Y hromosoma je po sebi ograničena na 1/4 one kod autosoma: diploidni organizmi sadrže dvije kopije autosomnih hromosoma, dok samo polovina stanovništva sadrži jedan Y hromosom. Genetički drift je, dakle, izuzetno jaka sila koja djeluje na Y hromosom. Pukom slučajnim asortimanom, odrasla muška osoba možda nikada neće proslijediti Y hromosom ako ima samo žensko potomstvo. Stoga, iako je muškarac može imati dobro prilagođen Y hromosom (bez pretjeranih mutacija), možda nikada neće učestvovati u formiranju genskog fonda naredne generacije.^[19] Ponavljanje slučajnog gubitka dobro prilagođenog Y hromosoma, zajedno sa njegovom tendencijom da evoluira ka više štetnih mutacija, doprinosi degeneracije vrste i cijelog Y hromosoma.^[25]

Genska konverzija

Y hromosom nije u stanju da rekombinuje tokom mejoze kao i drugi ljudski hromosomi. Međutim, 2003., istraživači iz MIT-a (Massachusetts Institute of Technology) otkrili su proces koji može usporiti proces njegove degradacije. Otkrili su da je ljudski Y hromosom je u stanju da "rekombinuje" sa samim sobom, pomoću sekvence palindrom baznog para. Takva "rekombinacija" se zove genska konverzija.U slučaju Y hromosoma, na palindromima nije nekodirajuća DNK; ovi nizovi baza sadrže funkcionalne gene važne za mušku plodnost. Većina parova sekvence su identični više i od 99,97%. Česta pojava konverzije gena može imati značajnu ulogu u sposobnosti Y hromosoma za popravljanje genetičke greške i održavanju integriteta njegovih malobrojnih gena. Drugim riječima, budući da je Y hromosom jednokrat, duplikate svojih gena ima na sebi, umjesto na drugom, homolognom, hromosomu. Kada dođe do grešaka, može koristiti i druge sopstvene dijelove kao predložak da ih ispravi.

Komparacijom sličnih regija Y hromosoma kod ljudi, običnog čimpanze (Pan troglodytes), bonoba (patuljasti čimpanza, Pan paniscus) i gorila (Gorilla gorilla), nalazi su potvrdili da isti fenomen konverzije gena traje više od 5 miliona godina, kada su se ljudi i ne-hominidni primati međusobno udaljili.

Buduća evolucija

U terminalnim fazama degeneracije Y hromosoma, drugi hromosomi sve više preuzimaju gene i funkcije koji su bili ranije povezani s njom. Konačno, Y hromosom nestaje u potpunosti, a javlja se novi sistem određivanje spola. Nekoliko sestrinskih vrsta je u skupini glodara. Neke vrste glodara u sestrinskim porodicama Muridae i Cricetidae dostigle su ove faze,^[26][27] u sljedećim pravcima:

• Transkavkaska krtičasta voluharica (Ellobius lutescens), Zaisan krtičasta voluharica (Ellobius tancrei) te (u japanskoj zemlji pacova – Ryukyu) Tokudaia osimensis i Tokudaia muenninki, u potpunosti su izgubili su Y hromosom i SRY.^[28][29] Tokudaia str. Ima relocirane neke druge ancestralne gene, prisutne na Y hromosomu na X hromosom. Oba spola kod Tokudaia i Ellobius lutescens imaju XO genotip, dok svi Ellobius tancrei imaju genotip XX genotip. Novi seks-determinirajući sistem ovih glodara je nejasan.
• Kod šumskog leminga (Myopus schisticolor), arktičkog leminga, (Dicrostonyx torkvat), i više vrsta u rodu poljskog miša (Akodon) razvile su plodne ženke čiji genotip uglavnom kodiran za mužjake (XY). Pored predačkih XX ženki, ta transformacija se odvijala kroz razne modifikacije na X i Y hromosomu.^[30][31]
• U voluharice Microtus oregoni, ženke, uz samo jedan X hromosom kod svake jedinke, proizvode se samo X gameti, a mužjaci, XY, proizvode Y gamete ili gamete bez ijednog spolnog hromosoma, uzrokovane odsustvom razdvajanja hromosoma (nondisjunkcija).^[32]
• Izvan glodara, u kosmatog crnog muntjak ( Muntiacus crinifrons, razvio se novi X i Y hromosomski sistem putem fuzije predačkih spolnih hromosoma i autosoma.^[33]

Kod ljudi, Y hromosom sadrži oko 58 miliona baznih parova . Njegova DNK) predstavlja oko 2% od ukupne DNK u muškoj ćeliji.^[34] Y hromosom sadrži preko 200 gena, od kojih najmanje 72 kodiraju proteine.^[4] Osobine koje se nasljrđuju preko Y hromosom nazivaju se Y-vezane osobine (uobičajeno u biologiji) ili holandrične osobine u (medicini).

Ljudski Y hromosom je obično u mogućnosti da rekombinuje s X hromosom, osim kratkih sekvenci (pseudoautosomne regije na telomerama (koji čine oko 5% od dužine hromosoma). Ove regije su relikti drevnih homologija između X i Y hromosoma. Većina Y hromosoma, koja ne rekombinuje naziva se "NRY" (ne-međusobno rekombinirajći Y).^[35] To je SNP na ovim prostorima, koji se koriste za traženje direktne očinske linije predaka.

Broj gena

Slijede neke od procjena broja gena ljudskog hromozoma Y. Budući da istraživači koriste različite pristupe anotacija genoma, njihova predviđanja broja gena na svakom hromosomu variraju (za tehničke detalje pogledajte predviđanje gena). Među raznim projektima, zajednički projekat konsenzusnog kodiranja (CCDS) zauzima izuzetno konzervativnu strategiju. Dakle, predviđanje broja CCDS-ovih gena predstavlja donju granicu ukupnog broja gena koji kodiraju ljudske proteine.^[36]

Lista gena

Ljudski Y hromosom obično se ne rekombinira sa X hromosomom, osim malih komadića pseudoautosomne regije na telomerama (koji čine oko 5% dužine hromosoma). Ove regije su relikti drevne homologije između X i Y hromosoma. Glavnina Y hromosoma, koji se ne rekombinira, naziva se "NRY" ili nerekombinirajuća regija Y hromosoma.^[44] Za praćenje direktnih očinskih linija, u ovom regionu koriste se jednonukleotidni poimorfizmi.

Općenito, ljudski Y hromosom izuzetno je siromašan genima – jedan je od najvećih genske pustinje u ljudskom genomu. Zanemarujući pseudoautosomne gene, geni kodirani na ljudskom Y hromosomu uključuju:

• AMELY (amelogenin) slično kao AMELX na X-u
• RPS4Y1 / RPS4Y2 / RPS4X (Ribosomski protein S4)
• DDX3Y (helikaza) slično DDX3X na X-u
• X-transponirano područje (XTR), nekada zvano "PAR3"^[45] što je kasnije opovrgnuto.^[46]
  • • PCDH11Y (PCDH11X)
    • TGIF2LY (TGIF2LX)
• NRY, ostali
  • AZF1 (azoospermija faktor 1)
  • BPY2 (zvani i PAR3)
  • DAZ1 (deletiran u azoospermiji)
  • DAZ2
  • DFNY1 kodirajući protein gluhoće, Y- vezani 1
  • PRKY Y-vezana protein-kinaza
  • RBMY1A1
  • SRY (seks-determinirajuća regija)
  • TSPY (testis-specifični protein)
  • USP9Y
  • UTY (sveprisutni transkribirani TPR gen na Y-hromosomu)
  • ZFY (protein cinkovog prsta) redovno traskriiran TPR-gen na Y hromosomu).

Ne uključujući gene pseunoautosomnog regiona, Y hromsom sadrži:

• NRY, sa korespondirajućim genom na X hromosomu
  • AMELY/AMELX (amelogenin)
  • RPS4Y1/RPS4Y2/RPS4X (ribosomni protein S4)
• NRY, ostali
  • AZF1 (azoospermijski faktor 1)
  • BPY2 (bazni protein na Y hromosomu)

Citogenetičke pruge

Idiogrami G-pruganih ljudskih hromosoma Y

Ideigram G-pruga ljudskog hromosoma Y u rezoluciji 850 bphs. Dužina trake na ovom dijagramu je proporcionalna dužini para baza. Ovaj tip ideograma se općenito koristi u pretraživačima genoma (npr. Ensembl, UCSC Genome Browser).

Obrasci G-preuganja ljudskog hromosoma Y u tri različite rezolucije (400,^[47] 550^[48] and 850^[3]). Dužina pruga na ovom dijagramu zasnovana je na ideigramima iz ISCN-a (2013.).^[49] Ovaj tip idiograma predstavlja stvarnu relativnu dužinu pruge posmatranu pod mikroskopom u različitim trenucima tokom mitotskog procesa.^[50]

• Hromosom
• Hromosomska garnitura
• Genetika
• Citogenetika

• Genetic Genealogy: About the use of mtDNA and Y chromosome analysis in ancestry testing
• Ensembl genome browser
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/mapview/maps.cgi?taxid=9606&chr=Y
• Human Genome Project Information—Human Chromosome Y Launchpad
• On Topic: Y Chromosome—From the Whitehead Institute for Biomedical Research
• Nature—focus on the Y chromosome
• National Human Genome Research Institute (NHGRI)—Use of Novel Mechanism Preserves Y chromosome Genes
• Ysearch.org – Public Y-DNA database Arhivirano 4. 1. 2011. na Wayback Machine
• Y chromosome Consortium (YCC) Arhivirano 16. 1. 2017. na Wayback Machine
• NPR's Human Male: Still A Work In Progress