Problematika pohlavnej diferenciácie (t. j. vývojového procesu, ktorý v konečnom dôsledku spôsobuje podstatné rozdiely medzi samčími a samičími jedincami), mechanizmus determinácie (určovania) samčieho a samičieho pohlavia, strata Y chromozómu, ako aj udržiavanie stáleho pomeru pohlaví v ľudskej populácii je pre odborníkov dôležitou problematikou aj v súčasnom období. Vyriešiť „záhadu prírody“ skrytú v odpovedi na otázku, prečo sa rodí v každej generácii rovnaký počet chlapcov a dievčat a prečo sa objavuje rovnaký pomer pohlaví aj u väčšiny živočíchov, sa pokúšali mnohí bádatelia. Až pokroky vo vývoji genetiky, cytológie a embryológie a syntéza poznatkov týchto troch biologických disciplín postavila zložitú problematiku pohlavnosti/sexuality na vedecké základy, čím vedcom umožnila pochopiť biologický zmysel a evolučný význam pohlavného rozmnožovania.
Čo rozumejú pod pohlavnosťou odborníci?
Je pojem „pohlavnosť“ hanlivý? Aj keď je pre niektorých ľudí tabu, ak sa využíva odborne, isto nie je. Prečo je pohlavnosť v živote druhov vyskytujúcich sa na Zemi veľmi dôležitá? Ako prispieva jej závažný atribút – sexuálna aktivita k reprodukcii a zachovaniu druhov? Prv, než nájdeme odpoveď na tieto otázky, uveďme si jej odbornú definíciu. „Pohlavnosť možno charakterizovať ako komplex anatomických, morfologických, fyziologických znakov, vlastností a funkcií, ktoré zodpovedajú za vonkajšie i funkčné rozdiely medzi príslušníkmi opačného pohlavia toho istého druhu“. Vznik pohlavia (pohlavnosť) je výsledkom veľmi zložitých vývojových zmien realizovaných pod hormonálnou a genetickou kontrolou. Pohlavnosť sa u živých organizmov objavuje až na určitom stupni fylogenetického vývoja. Udržuje sa a postupne sa „rozvíja“, a tak pomáha zabezpečiť genetickú variabilitu (premenlivosť, rôznorodosť) jedincov v rámci toho istého druhu. Vznik jedincov opačného pohlavia (napr. u človeka a živočíchov – mužov/samcov a žien/samičiek, ale aj tzv. opačných párovacích typov u jednobunkových genetických modelových organizmov, akými sú napr. kvasinky Saccharomyces cerevisiae – a a α alebo zelené riasy Chlamydomonas reinhardtii – mt+ a mt–), úzko súvisí s fylogenetickým vývojom, pričom „zmyslom, príčinou a cieľom“ existencie jedincov opačného pohlavia je zachovanie druhu. A to je aj odpoveď na vyššie položené otázky.
Čo charakterizuje reprodukčný systém samčieho a samičieho pohlavia?
Samcom je každý fyzický predstaviteľ pohlavia produkujúceho spermie. Spermia je definovaná ako menšia, obyčajne pohyblivá pohlavná bunka (gaméta). Viete, že bežným symbolom pre označenie samčieho pohlavia (mužského rodu) je kružnica so šípkou smerujúcou na severovýchod? Tento symbol predstavuje štít a kopiju Marsa, rímskeho boha vojny.
Samica je predstaviteľkou pohlavia organizmu, ktorý produkuje vajíčkové bunky. Vajíčko (lat. ovum) je definované ako väčšia z gamét reprodukčného systému. Samičí jedinec nie je schopný sa sexuálne rozmnožovať bez prístupu ku gamétam (spermiám) samca. Symbolom pre reprezentantov ženského rodu/pohlavia je krúžok s malým krížikom smerujúcim nadol. Tento symbol predstavuje planétu Venušu a je možné ho znázorniť ako zrkadielko bohyne Venuše.
Pri pohlavnom rozmnožovaní dochádza k splynutiu samčích a samičích pohlavných buniek (za vzniku zygoty), ktoré vznikajú v zvláštnych reprodukčných orgánoch – gonádach. Ak je ten istý jedinec schopný vytvárať obidva druhy gamét, patrí medzi hermafroditov, ako je to v prípade dážďovky. Pri oddelenom samčom a samičom pohlaví (ako je to napr. u človeka), odborníci hovoria o gonochoristoch. V procese tvorby pohlavných buniek, t. j. gametogenézy dochádza k redukcii diploidného (2n) počtu chromozómov (u človeka zo 46 na 23) na haploidný/polovičný (n). Genetickú odlišnosť gamét, ktoré vznikajú počas gametogenézy spôsobuje „premiešanie“ génov v procese odborne nazývanom crossing-over, ako aj náhodné vytváranie nových kombinácií génov uložených (lokalizovaných) na jednotlivých chromozómoch, čo jednoznačne vedie ku zvýšeniu genetickej variability. Na otázku, prečo evolúcia uprednostnila tento druh rozmnožovania pred nepohlavným, nachádzame viac odpovedí. V súčasnosti sa paradoxne najviac uznáva názor, že hlavnou príčinou vedúcou k pohlavnému rozmnožovaniu evolučne mladších druhov, bolo zabrániť rizikám, ktoré so sebou prinášajú parazity, baktérie a vírusy. Pohlavne sa rozmnožujúce organizmy kombinujú svoje gény. Ich potomstvo získalo novú génovú výbavu, a tým má ich imunitný systém väčšiu šancu odolať všetkým patogénom. Meniaca sa genetická výbava umožňuje druhom mnohých generácií prispôsobovať sa meniacim sa životným podmienkam a úspešne prežívať.
Niekoľko poznámok k ľudskej sexualite
Sexuálny inštinkt sa prejavuje nielen u živočíšnych druhov, ale aj v správaní človeka a ovplyvňuje jeho pohlavný/sexuálny život, resp. telesné a duševné zážitky vyplývajúce z rozdielov medzi pohlaviami. Ľudská sexualita je dôležitou súčasťou ľudského bytia a jej súčasťou by mala byť nielen sexuálna náklonnosť medzi partnermi, ale aj citová. Sexualita neplní len reprodukčnú funkciu a nie je to len pohlavný styk medzi mužom a ženou. Sexualita je súčasťou intímneho vzťahu zahŕňajúceho celú škálu prejavov príťažlivosti, a to aj mimo sexuálneho aktu. Navyše sa stretávame so sexuálnymi pocitmi a predstavami aj u detí. Štúdie zamerané na ľudskú sexualitu ukázali, že sexualita sa prejavuje počas celého života človeka (od detstva po starobu) a je veľmi variabilná. Týka sa rodovej identity, sexuálnej orientácie, erotiky a intimity. Sexualita človeka sa môže zrkadliť v jeho myšlienkach, predstavách, túžbach, názoroch, postojoch, hodnotách, správaní, sexuálnych praktikách a partnerských vzťahoch. Aj keď môže sexualita človeka zahŕňať všetky tieto dimenzie, nie každý jednotlivec ich dokonale prežíva. Sexualitu človeka ovplyvňuje celý rad faktorov, akými je napr. interakcia biologických, psychologických, sociálnych, ekonomických, politických, kultúrnych, etických, právnych, historických a náboženských faktorov.
Na sexuálnu aktivitu/párenie v živočíšnej ríši má často nárok silnejší jedinec
Ak sa pokúsime nazrieť do intímneho života zvierat zistíme, že samičky často stoja pred dilemou – s kým sa páriť. U niektorých druhov sa automaticky rozhodnú pre víťaza súboja medzi samcami. Pri súbojoch o samičku sa samce navzájom fyzicky „porovnávajú“ a snažia sa zastrašiť toho druhého, prípadne medzi sebou bojujú až dovtedy, kým slabší neuzná prevahu silnejšieho a opúšťa bojisko. Klasickým príkladom sú jelene a srnce počas ruje – väčšie a mohutnejšie samce majú v súboji výhodu a boj väčšinou vyhrávajú.
Sexuálny kanibalizmus
Odborníci predpokladajú, že u niektorých živočíšnych druhov je súčasťou sexuálnej aktivity samčekov snaha „podplatiť si“ samičku a priniesť samičke „darček“ v podobe potravy, aby sa hladná samička nasýtila a stratila chuť zjesť samotného samčeka. Takzvaný sexuálny kanibalizmus bol v živočíšnej ríši pozorovaný u viacerých druhov, napr. hmyzu a rôznonožiek, u ktorých sú samičky často značne väčšie ako samčeky. Asi najznámejším príkladom sexuálneho kanibalizmu je modlivka zelená – Mantis religiosa. Bezhlavý samček nielenže párenie úspešne dokončí, ale celý sexuálny proces dokonca trvá dlhšie, ako v prípade sexuálnej aktivity živých samcov. Do samičky prenikne viac spermií a tie oplodnia viac vajíčok.
Aj samčeky niektorých druhov pavúkov sa snažia zabrániť tomu, aby sa stali potravou pre samičky, a to napríklad tak, že samičku znehybnia obalením do pavučiny, alebo sa s ňou rýchlo pária, kým sa ona zvlieka, takže ich nestihne skonzumovať. Výhoda prežitia je jasná – kto prežije, môže sa znovu páriť. Paradoxne samce niektorých druhov pavúkov, napríklad snovačiek jedovatých – Latrodectus mactans (známych pod menom čierne vdovy), sa samičke doslova núkajú na zožratie. Okrem toho, že mŕtvi oplodnia viac vajíčok, získajú výhodu aj v tom, že sýta samička sa už pravdepodobne nebude páriť s ďalším samčekom. Odborníkom sa zatiaľ nepodarilo zistiť, či „umrieť pre lásku“ je pre samčekov výhodné alebo nie. Obetovať sa však pre zachovanie rodu asi áno.
Trúdy – samce včiel, tiež hynú pri párení. Po vypustení spermií ich genitálie „explodujú“ a odtrhnú sa od ich tiel, pričom ostanú v samičke s cieľom zabrániť jej v párení s ďalším samčekom. Ich snaha je však zbytočná, pretože počet trúdov, s ktorými sa pári jedna samička – včelia kráľovná, môže byť až 40.
Čo je determinácia/určenie pohlavia?
Pod termín determinácia pohlavia odborníci zahŕňajú celý rad procesov podieľajúcich sa na určení pohlavnosti a vzniku konkrétneho pohlavia. V podstate rozlišujeme mechanizmy determinácie pohlavia genetického a negenetického charakteru.
Negenetické mechanizmy determinácie pohlavia nachádzame u rôznych organizmov, najmä u nižších živočíchov (rýb, hmyzu, červov, obojživelníkov a plazov). V podstate spočívajú na pôsobení faktorov vonkajšieho prostredia ovplyvňujúcich diferencujúci sa (postupne sa špecializujúci) tzv. indiferentný (nediferencovaný/nešpecializovaný) základ pohlavia vyvíjajúceho sa v zárodku. V závislosti od charakteru prostredia (teploty, svetla, pH, atď.) sa z nediferencovaného (indiferentného) základu diferencuje reprodukčný systém charakteristický pre samčie alebo samičie pohlavie. Vedeli ste, že pohlavie niektorých druhov korytnačiek, krokodílov alebo jašteríc závisí od teploty v období inkubácie ich zárodku? Takéto typy determinácie pohlavia možno považovať za primitívne formy predchádzajúce určeniu pohlavia prostredníctvom genetických mechanizmov.
Genetické princípy/mechanizmy determinácie pohlavia spočívajú na existencii špecifických génov zodpovedných za odlíšenie jedincov opačného pohlavia. Prekvapivo to bol pôvodne jediný gén, ktorý rozhodoval o vzniku samčieho alebo samičieho pohlavia. Počas evolúcie sa tejto úlohy zhostil celý komplex génov. Ich génové produkty (proteíny, enzýmy, hormóny) sú spoluzodpovedné za vznik konkrétneho pohlavia a tzv. primárnych a sekundárnych pohlavných znakov charakteristických pre dané pohlavie. Počas gravidity ženy je možné už na konci zárodočného vývinu rozlíšiť pohlavie zárodku, aj keď sa o pohlaví jedinca rozhodlo už v okamihu oplodnenia, t. j. splynutia samčej a samičej pohlavnej bunky/gaméty. Po šiestom týždni zárodočného vývinu sa začnú nediferencované (indiferentné) pohlavné žľazy formovať na mužské a približne o týždeň neskôr nastáva diferenciácia ženských pohlavných žliaz.
Chromozómová teória determinácie/určenia pohlavia
Podľa tejto teórie je pohlavie jedinca určené/determinované komplexom pohlavných chromozómov typických pre samca alebo samicu. Pohlavné chromozómy vznikli počas fylogenézy z autozómov (t. j. ostatných nepohlavných chromozómov
nachádzajúcich sa v jadrách buniek organizmov). U človeka rozlišujeme jednak homogametické samičie pohlavie, ktoré označujeme (XX), a jednak heterogametické samčie (XY), pričom muži vytvárajú počas gametogenézy dva typy gamét, t. j. spemie s chromozómom X a spermie s chromozómom Y. Ženy produkujú len jeden typ gamét, a to gaméty s X chromozómom. Z poznatkov týkajúcich sa determinácie pohlavia človeka, ako aj iných placentálnych organizmov (cicavcov) vyplýva, že je určené prítomnosťou alebo neprítomnosťou Y chromozómu. Mužské pohlavie človeka je teda dôsledkom dominantného vplyvu chromozómu mužnosti, t. j. Y chromozómu. Podľa najnovších poznatkov je to vďaka tomu, že Y chromozóm je nositeľom výnimočného génu SRY (z angl. Sex-determing Region Y), ktorého produktom je tzv. testes-determinujúci faktor (TDF), a ten vlastne rozhoduje o tom, či sa embryo vyvinie ako mužské (XY) alebo ženské (XX). Ak sa niektorí muži sťažujú, že im ženy rodia len samé dievčence, ženy sú v tom nevinne. Na vine sú oni, pretože pri počatí neposkytli spermiu s Y chromozómom a s fungujúcim/aktívnym génom SRY. Aj za sterilitu mnohých súčasných manželských párov sú tiež väčšinou zodpovední muži, pretože životaschopnosť a pohyblivosť ich spermií z roka na rok klesá.
U vtákov, motýľov a niektorých plazov je situácia týkajúca sa determinácie pohlavia odlišná, pretože u nich sú samice heterogametické a označované (ZW) a samce homogametické (ZZ). U niektorých živočíšnych druhov, napr. ploštíc Y chromozóm úplne chýba a heterogametické (samčie) pohlavie je dané komplexom XO, pričom pri gametogenéze samčeka vznikajú dva typy gamét, jednak gaméty s X chromozómom, a jednak gaméty bez pohlavného chromozómu.
Zaujímavé je určovanie pohlavia u včiel, pretože závisí od počtu chromozómových sád. Z haploidných (n) embryí vznikajú samce a z diploidných (2n) sa vyvíjajú samičky.
Aké sú rozdiely medzi pohlavnými chromozómami človeka?
Pohlavné chromozómy človeka sa od ostatných chromozómových párov – autozómov výrazne líšia nielen svojou štruktúrou, ale aj genetickými vlastnosťami. Pohlavné chromozómy heterogametického pohlavia (muža), t. j. X a Y sa líšia aj navzájom, čo znamená, že nie sú homologické. Obsahujú tri skupiny génov:
Prvá skupina sa nachádza len na X chromozóme, a to na úseku, ktorý nemá partnera na Y chromozóme. Tieto gény nazývame viazané na pohlavie, resp. X-viazané gény. Známym príkladom je gén DMD, ktorý kóduje svalový proteín dystrofín, pričom mutácia tohto génu spôsobuje svalovú dystrofiu. Treba podotknúť, že u človeka je oveľa ľahšie identifikovať recesívne mutácie génov viazaných na pohlavie než recesívne mutácie, ktoré vznikajú v autozómoch. Okrem toho u mužov stačí na to, aby sa takto determinovaný znak prejavil, len jedna zdedená recesívna mutantná alela. Žena samozrejme musí zdediť dve recesívne mutantné alely, a to jednu od otca a druhú od matky. Z uvedeného vyplýva, že prevažná časť osôb, u ktorých sa znaky viazané na X chromozóm prejavia, sú muži.
Druhú skupinu tvoria gény, ktoré sa nachádzajú na Y chromozóme a nemajú partnerov (homologický úsek na X chromozóme). Tieto gény sa nazývajú holandrické. U človeka je to napr. gén pre nadmerné ochlpenie ušníc, ktorý sa prenáša výhradne z otcov na synov.
Tretia skupina génov je spoločná pre obidva pohlavné chromozómy X a Y, a teda sú homologické. Nazývame ich pseudoautozómové. Dedičnosť znakov a vlastností, za ktoré zodpovedajú gény, ktoré ležia v týchto úsekoch, sa riadi tými istými pravidlami, ako pri autozómovej dedičnosti, t. j. zákonitosťami, ktoré objavil zakladateľ genetiky – J. G. Mendel (tzv.
Mendelovými pravidlami). Človek, ale aj rôzne druhy zvierat sa líšia veľkosťou homologických (rovnakých) a heterologických (odlišných) úsekov pohlavných chromozómov a počtom génov, ktoré obsahujú. Napríklad u banánovej mušky drozofily sa nachádza na Y chromozóme len veľmi málo génov v porovnaní s rybami. Niet pochýb o tom, že sa Y chromozóm mnohých organizmov (vrátane človeka) vyvíjal tak, aby väčšinou pozostával z heterochromatínu, t. j. jadrovej hmoty nesúcej len minimálne množstvo exprimovaných (prepisovaných a prekladaných) génov a strácal homológiu s X chromozómom. Obsahuje teda len minimálny počet génov nesúcich genetickú informáciu. Je zaujímavé, že sa u mnohých druhov strata Y chromozómov dokonca negatívne neprejavuje na životaschopnosti jedincov v porovnaní so stratou X chromozómu alebo autozómu. V evolúcii sa Y chromozóm pravdepodobne zachoval vďaka prírodnému výberu, pravdepodobne len ako zložka mechanizmu determinácie (určovania pohlavia). Niet preto divu, že sa postupne zmenšuje a dokonca sa u niektorých druhov úplne stratil, pričom ako sme už uviedli, jedinec s genetickou výbavou XO, stále determinuje mužské pohlavie. U červa Caenorhabditis elegans sú jedince XX hermafrodity, t. j. fungujú aj ako samce aj samice a jedince XO sú výlučne samcami.
Čo sa stane s mužmi, keďže sa Y chromozóm postupne stráca?
Vráťme sa k Y chromozómu človeka, ktorý je najmenším chromozómom z celej sady ľudských chromozómov a v porovnaní s X chromozómom je len malinkým trpaslíkom, pričom sa neustále skracuje a zmenšuje. Y chromozóm je zvláštny chromozóm. Je nielen malý, ale naviac nemá v bunke partnera, s ktorým by si mohol vymieňať gény a „prevádzkovať“ tak činnosť, ktorú ostatné tzv. homologické chromozómy, nachádzajúce sa v bunke v pároch, bežne vykonávajú, a tak umožňujú zvyšovať genetickú rozmanitosť. Takáto „činnosť“ je pre chromozómy dôležitá, pretože ide o evolučný nástroj, ktorý dovoľuje zamieňať nepoškodené gény za poškodené. Aká je prognóza týkajúca sa budúcnosti Y chromozómu človeka? Nuž, ak sa tento trend nezastaví, približne za 4,6 miliónov rokov Y chromozóm úplne zmizne.
Čo sa dozvedáme z histórie?
Chromozóm Y nebol vždy taký miniatúrny. Ak by sme sa vrátili do obdobia pred 166 miliónmi rokov (obdobia vývoja prvých cicavcov), situácia bola úplne iná. Pôvodný „proto-Y“ chromozóm bol rovnako veľký ako chromozóm X a obsahoval aj rovnaké gény. Y chromozómy však majú aj v porovnaní s X chromozómami zásadnú nevýhodu. Okrem kratučkej pseudoautozómovej oblasti, gény na chromozóme Y nemôžu podstúpiť proces miešania a náhodného kombinovania génov, a tak napr. eliminovať škodlivé génové mutácie. Preto počas evolúcie postupne „degenerujú“ a strácajú sa z genómu. Na otázku, čo sa stane s mužmi, ak Y chromozóm úplne zmizne z ľudského genómu, treba mužov uistiť, že to nemusí nevyhnutne znamenať, že sa treba pripravovať na svet bez mužov. Gén SRY, ktorý geneticky určuje samčie pohlavie, by sa asi presunul na niektorý z autozómov.
Ako sa kompenzuje nadbytok genetickej informácie samičiek?
Keďže X chromozóm je oveľa väčší ako Y chromozóm a nesie aj oveľa viac génov, pričom ženy sú nositeľkami až dvoch X chromozómov, čitateľa môže napadnúť otázka, či príroda umožnila nejakú kompenzáciu nadbytku genetickej informácie obsiahnutej v genetickej výbave žien. Veď páni ľudstva dominujú v toľkých veciach a záležitostiach a naraz v takej podstatnej „ťahajú za kratší koniec.“ Na šťastie odborníci zistili, že existujú tri základné mechanizmy umožňujúce kompenzovať tieto rozdiely, a to nielen u človeka, ale aj u živočíchov.
Prvý mechanizmus umožňuje, aby X-viazané gény pracovali u samcov dvakrát výkonnejšie než u samíc. Hovoríme o ich hyperaktivácii, ktorá je dôsledkom väzby komplexu špeciálnych proteínov na X chromozóm samca a ktorá spúšťa zdvojnásobenie ich aktivity. Bežne sa stretávame s týmto mechanizmom u drozofily.
Druhý mechanizmus umožňuje, aby jedna kópia X-viazaného génu samíc bola inaktivovaná. Tento mechanizmus bol po prvý raz opísaný v roku 1961 britskou genetičkou Mary Lyonovou, a preto sa náhodná inaktivácia jedného z X chromozómov žien nazýva lyonizácia. Inaktivovaný X chromozóm možno po sfarbení pozorovať pomocou optického mikroskopu ako tzv. Barrovo teliesko (pomenované podľa kanadského genetika Murraya Barra).
Tretí mechanizmus sa realizuje tak, že u samíc X-viazané gény pracujú o polovicu menej intenzívne než u samcov. Tretí sa vyskytuje napr. u červa Coenarhabditis elegans, pričom sú u hermafroditov (XX) tohto červa obidva X chromozómy hypoaktivované.
Dobrá správa na záver
Nedávno bola v časopise PLoS Genetics publikovaná štúdia dánskych autorov zameraná na sekvenovanie rovnakých častí chromozómu Y pochádzajúcich od 62 rôznych mužov. Autori tejto publikácie zistili, že aj v Y chromozóme prebiehajú rozsiahle štrukturálne zmeny, ktoré mu dovoľujú zamieňať „dobré“ gény za „zlé“, pričom je Y chromozóm v tomto smere sebestačný, a to v dôsledku tzv. amplifikácie (znásobenia) génov. Amplifikácia umožňuje Y chromozómu „získať“ mnohonásobné kópie génov (zodpovedných napr. za tvorbu funkčných, zdravých spermií), a tak eliminovať straty iných génov. Štúdia potvrdila, že sa na chromozóme Y vyvinuli špecifické štruktúry pozostávajúce z amplifikovaných génov usporiadaných do ôsmych „palindrómov“, (t. j. DNA sekvencií, ktoré sa čítajú rovnako sprava ako zľava, napr. podobne ako slová Anna, kajak, krk, oko), vďaka ktorým prebieha proces opravy, presnejšie náhrady poškodených génov pomocou nepoškodenej záložnej kópie génu. Je to dobrá správa. S najväčšou pravdepodobnosťou ľudstvo o Y chromozóm tak skoro nepríde. Ženy si môžu vydýchnuť, pretože sa nemusia obávať, že prídu o dôležitých sexuálnych partnerov – nositeľov chromozómu mužnosti. Podľa vedcov nielen u človeka, ale aj u druhov, u ktorých sa Y chromozóm počas evolúcie úplne stratil, budú mužskí/samčí jedinci potrební pri jedinečnom procese rozmnožovania. To sa však v ďalekej budúcnosti podľa niektorých sci-fi futuristov možno zmení a pravdepodobne vlastná reprodukcia človeka sa bude realizovať vďaka génovým manipuláciám len v skúmavke.
Autor: prof. RNDr. Eva Miadoková, DrSc. pre redakciu Veda na dosah, Katedra genetiky Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave
Foto: z archívu prof. RNDr. Evy Miadokovej, DrSc.
Redigovala a uverejnila: VČ