Y: Die Große bleibt groß nicht und klein nicht der Kleine.
aus scinexx
Y-Chromosom ist wichtiger als gedacht
Gene des Mini-Chromosoms prägen Zellen im gesamten Körper und sind erstaunlich langlebig
Klein, aber oho: Das männliche Y-Chromosom galt lange als kümmerliches Relikt, zum Verschwinden verurteilt. Jetzt zeigen zwei neue Studien: Das kleine Chromosom ist nicht nur sehr langlebig. Seine Gene steuern auch mehr als nur die männliche Fortpflanzung. Ihre regulierende Wirkung prägt Zellen in unserem gesamten Körper, wie Forscher im Fachmagazin "Nature" berichten.
Das kleine Y-Chromosom (roter Kreis) ist ein bloßer Stummel verglichen mit dem Rest.Erst die Gene, die auf dem männlichen Geschlechtschromosom liegen, unterdrücken dieses Programm und fördern die Ausbildung der typisch männlichen Geschlechtsmerkmale. Dies galt bisher als Hauptgrund dafür, dass es dieses Chromosom trotz Schrumpfung noch gibt.
Trotz Schrumpfung langlebig
Zwei Forschergruppen haben die Evolution des Y-Chromosoms und seine Genzusammensetzung nun genauer untersucht – und werfen ein neues Licht auf den unverzichtbaren Winzling. Diego Cortez von der Universität von Lausanne und seine Kollegen belegen durch einen Genvergleich von 15 Säugetieren, Beuteltieren und Vögeln, dass das männliche Geschlechtschromosom schon vor rund 180 Millionen Jahren entstand.
Daniel Bellott vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und seine Kollegen verglichen die Gene des Y- und des X-Chromosoms bei acht Säugetieren, darunter dem Menschen, der Maus, dem Opossum und dem Rind. Dabei zeigte sich, dass 14 urzeitliche Gene des männlichen Geschlechtschromosoms immerhin 97 Millionen Jahre der Evolution fast unverändert überdauert haben, wie die Forscher berichten.
Mann und Frau – anders bis in die kleinste Zelle
"Und das sind nicht einfach irgendwelche Gene – sie sind die Elite", konstatiert Laborleiter David Page. So enthüllten weitere Analysen, dass auf dem Y-Chromosom ungefähr ein Dutzend Gene liegen, die zusammen mit ihren Gegenparts auf dem X-Chromosom das Ablesen der Protein-Bauanleitungen im Erbgut steuern – und dies im gesamten Körper von Männern. "Diese Gene sind an der Dekodierung und Interpretation des gesamten Genoms beteiligt", betont Page. Wie groß ihr Einfluss auf den Körper sei, beginne man daher gerade erst zu erahnen.
Das aber bedeutet, dass sich Männer und Frauen bis auf die kleinste Ebene ihres Organismus voneinander unterscheiden: Selbst ihre einzelnen Zellen in Haut, Lunge oder anderen Organen, funktionieren möglicherweise ein wenig anders. "Sie sind ähnlich, aber biologisch unterschiedlich", sagt Bellott.
Dieser subtile Einfluss des Y-Chromosoms könnte nach Ansicht der Forscher auch erklären, warum Männer und Frauen unterschiedlich sensibel für bestimmte Krankheiten sind. Und es wirft auch ein neues Licht auf die Forschung an Zellkulturen: "Zellbiologen und Biochemiker studieren Zellen, ohne dass sie wissen oder beachten, ob diese XX oder XY sind – bisher hat niemand so richtig darauf geachtet", erklärt Bellott. Das müsse sich zukünftig ändern, das Unisex-Modell der biomedizinischen Forschung sei überholt. (Nature, 2014; doi: 10.1038/nature13206; doi: 10.1038/nature13151)
(Nature, 24.04.2014 - NPO)
Researchers See New Importance in Y Chromosome
When researchers were first able to analyze the genetic content of the Y chromosome, they found it had shed hundreds of genes over time, explaining why it was so much shorter than its partner, the X chromosome. All cells in a man’s body have an X and a Y chromosome; women’s have two X chromosomes.
The finding created considerable consternation. The Y had so few genes left that it seemed the loss of a few more could tip it into extinction.
But an analysis in 2012 showed that the rhesus monkey’s Y chromosome had essentially the same number of genes as the human Y. This suggested that the Y had stabilized and ceased to lose genes for the last 25 million years, the interval since the two species diverged from a common ancestor.
Two new surveys have now reconstructed the full history of the Y chromosome back to its evolutionary origin. One research group was led by Daniel W. Bellott and David C. Page of the Whitehead Institute in Cambridge, Mass., and the other by Diego Cortez and Henrik Kaessmann of the University of Lausanne in Switzerland. Their findings were reported on Wednesday in the journal Nature.
In the past 12 years, with the help of the genome sequencing centers at Washington University in St. Louis and the BaylorCollege of Medicine in Houston, Dr. Page’s group has decoded the DNA sequence of the Y chromosome of eight mammals, including the rhesus monkey and humans. The Y chromosome is so hard to decode that many early versions of the human genome sequence just omitted it. Dr. Kaessmann’s group, on the other hand, devised a quick method of fishing out Y chromosome genes by simply comparing the X and Y DNA of various species and assuming that any genetic sequences that did not match to the X must come from the Y.
Dr. Kaessmann calculates that the Y chromosome originated 181 million years ago, after the duck-billed platypus split off from other mammals but before the marsupials did so.
In some reptiles, sex is determined by the temperature at which the egg incubates. Genetic control over sex probably began when a gene on one of the X chromosomes called SOX3 became converted to SRY, the gene that determines maleness, and thus the Y chromosome came into being.
Until this time, the predecessors of the X and the Y had been an equal pair of chromosomes just like any of the others. Humans have 23 pairs of chromosomes, with one member of every pair being inherited from each parent. People with an XX pair among their 23 are female; those with an XY pair are male.
Before generating eggs and sperm, the 23 pairs of chromosomes line up and each chromosome exchanges chunks of DNA with its partner, a process known as recombination. But recombination between the X and Y had to be banned, except at their very tips, lest the male-determining SRY gene slip across to the X and wreak havoc.
Recombination creates novel arrays of DNA that keep genes adapted to the environment; without recombination they decay and are shed from the genome.
The reconstructions by the Page and Kaessmann groups show that most such genes were shed almost immediately and that the few genes remaining on the Y have been stable for millions of years.
One of these genes is SRY, and others are involved in sperm production. A third category of genes is unusual in being switched on not just in the testis but in tissues all over the body. These active genes, of which there are 12 in humans, all have high-level roles in controlling the state of the genome and the activation of other genes.
The 12 regulatory genes have counterpart genes on the X with which they used to recombine millions of years ago. They escaped the usual decay caused by lack of recombination, presumably being kept functional by purifying selection, a geneticists’ term meaning that any mutations were lethal to the owner. They have, however, become somewhat different from their 12 counterpart genes on the X.
This means that female, or XX, cells have a slightly different set of these powerful genes from male or XY cells, since the X and Y genes are producing slightly different proteins. In females, usually one X chromosome is inactivated in each cell, but the 12 genes are so important that they escape inactivation, and XX cells, like XY cells, receive a double dose of the gene’s products.
“Throughout human bodies, the cells of males and females are biochemically different,” Dr. Page said. The genome may be controlled slightly differently because of this variation in the 12 regulatory genes, which he thinks could contribute to the differing incidence of many diseases in men and women.
Differences between male and female tissues are often attributed to the powerful influence of sex hormones. But now that the 12 regulatory genes are known to be active throughout the body, there is clearly an intrinsic difference in male and female cells even before the sex hormones are brought into play.
“We are only beginning to understand the full extent of the differences in molecular biology of males and females,” Andrew Clark, a geneticist at Cornell University, wrote in a commentary in Nature on the two reports.
Y kommt immer wieder.
Gene auf dem Y-Chromosom sichern das Überleben der Männer
Das männliche Geschlechtschromosom erweist sich als stabiler und wichtiger als bisher angenommen
Cambridge - In den vergangenen Jahren tauchte in schöner Regelmäßigkeit das Schreckgespenst vom allmählichen Niedergang der Männlichkeit auf. Die Träger des Y-Chromosoms würden binnen 5000 Generation oder rund 125.000 Jahren vom Antlitz der Erde verschwinden, hieß es. Mittlerweile weiß man, dass diese Zahlenspielereien Unsinn sind, auch wenn sie auf einer durchaus seriöse Beobachtung basieren: In den vergangenen 300 Millionen Jahren hat das Y-Chromosom tatsächlich gut zwei Drittel seiner ursprünglichen Größe eingebüßt, die Anzahl der Gene reduzierte sich auf weniger als 100.
Dieser Rest erwies sich allerdings in den vergangenen 25 Millionen Jahren als erstaunlich stabil. Mehr noch: Eine nun im Fachjournal "Nature" veröffentliche Studie zeigt, dass die Mehrzahl dieser Gene nichts mit der Geschlechtsfestlegung und der Spermienproduktion zu tun hat, sondern offenbar wesentlich sind für das Überleben.
Eine Forschergruppe um David Page vom MIT in Cambridge, Massachusetts, suchten für ihre Analysen Gene, die sowohl auf dem Y- als auch auf dem X-Chromosom vorkommen. Diese Genpaare verglichen sie mit den jeweiligen Pendants im Erbgut von Tierarten, die in verschiedenen Graden mit dem Menschen verwandt sind: Schimpansen, Rhesusaffen, Weißbüschelaffen sowie Mäuse, Ratten, Hausrinder, Beutelratten und Hühner.
Dabei zeigte sich, dass die menschlichen X-Y-Genpaare die Transkription von Genen in Proteine Eiweiße und deren Stabilität regulieren. "Auf dem Y-Chromosom sind etwa ein Dutzend Gene erhalten geblieben, die in Zellen und Geweben im ganzen Körper wirksam werden", erklärt Page. "Die Evolution zeigt uns, dass diese Gene wirklich wichtig für das Überleben sind", ergänzte Pages Kollege Daniel Bellott, Erstautor der Studie.
Page und sein Team wollen nun herausfinden, was die langlebigen Gene auf dem Y-Chromosom genau bewirken. "Es gibt einen deutlichen Bedarf, in der biomedizinischen Forschung über das geschlechtsunabhängige Modell hinauszugehen", meint Page. Krankheiten, die bei Männern und Frauen unterschiedlich ausgeprägt sind, müssten genauer untersucht werden. Dazu gehört etwa das Turner-Syndrom, bei dem die Patientinnen nur über ein X-Chromosom verfügen.
tberg, red
Cambridge - In den vergangenen Jahren tauchte in schöner Regelmäßigkeit das Schreckgespenst vom allmählichen Niedergang der Männlichkeit auf. Die Träger des Y-Chromosoms würden binnen 5000 Generation oder rund 125.000 Jahren vom Antlitz der Erde verschwinden, hieß es. Mittlerweile weiß man, dass diese Zahlenspielereien Unsinn sind, auch wenn sie auf einer durchaus seriöse Beobachtung basieren: In den vergangenen 300 Millionen Jahren hat das Y-Chromosom tatsächlich gut zwei Drittel seiner ursprünglichen Größe eingebüßt, die Anzahl der Gene reduzierte sich auf weniger als 100.
Dieser Rest erwies sich allerdings in den vergangenen 25 Millionen Jahren als erstaunlich stabil. Mehr noch: Eine nun im Fachjournal "Nature" veröffentliche Studie zeigt, dass die Mehrzahl dieser Gene nichts mit der Geschlechtsfestlegung und der Spermienproduktion zu tun hat, sondern offenbar wesentlich sind für das Überleben.
Eine Forschergruppe um David Page vom MIT in Cambridge, Massachusetts, suchten für ihre Analysen Gene, die sowohl auf dem Y- als auch auf dem X-Chromosom vorkommen. Diese Genpaare verglichen sie mit den jeweiligen Pendants im Erbgut von Tierarten, die in verschiedenen Graden mit dem Menschen verwandt sind: Schimpansen, Rhesusaffen, Weißbüschelaffen sowie Mäuse, Ratten, Hausrinder, Beutelratten und Hühner.
Für das Überleben essenziell
Dabei zeigte sich, dass die menschlichen X-Y-Genpaare die Transkription von Genen in Proteine Eiweiße und deren Stabilität regulieren. "Auf dem Y-Chromosom sind etwa ein Dutzend Gene erhalten geblieben, die in Zellen und Geweben im ganzen Körper wirksam werden", erklärt Page. "Die Evolution zeigt uns, dass diese Gene wirklich wichtig für das Überleben sind", ergänzte Pages Kollege Daniel Bellott, Erstautor der Studie.
Page und sein Team wollen nun herausfinden, was die langlebigen Gene auf dem Y-Chromosom genau bewirken. "Es gibt einen deutlichen Bedarf, in der biomedizinischen Forschung über das geschlechtsunabhängige Modell hinauszugehen", meint Page. Krankheiten, die bei Männern und Frauen unterschiedlich ausgeprägt sind, müssten genauer untersucht werden. Dazu gehört etwa das Turner-Syndrom, bei dem die Patientinnen nur über ein X-Chromosom verfügen.
tberg, red
Abstracts
- Nature: "Origins and functional evolution of Y chromosomes across mammals"
- Nature: "Mammalian Y chromosomes retain widely expressed dosage-sensitive regulators"
Y hält durch.
Y-Chromosom bleibt erhalten
Geschlechtschromosom ist zwar geschrumpft, bleibt aber essenziell
Das männliche Y-Chromosom ist zwar klein, aber stabil: Obwohl es im Laufe der Evolution stark degradiert und geschrumpft ist, besteht keine Gefahr, dass es eines Tages komplett verschwindet. Denn eine neue Vergleichsstudie bestätigt, dass es 27 wichtige Gene gibt, die nur auf diesem Chromosom existieren und die auch nicht auf andere übertragbar sind. Als Folge sorgt die natürliche Selektion dafür, dass das männliche Geschlechtschromosom erhalten bleibt, so die Forscher im Fachmagazin "PloS Genetics".
"Das Y-Chromosom hat 90 Prozent seiner Gene verloren, die es einst mit dem X-Chromosom teilte", erklärt Melissa A. Wilson Sayres von der University of California in Berkeley. Statt mehr als 1.100 Gene wie sein weiblicher Gegenpart enthält es heute nur rund 200 davon. Deshalb vermuteten einige Forscher, dass das verkürzte Chromosom innerhalb der nächsten fünf Millionen Jahre sogar ganz verschwinden könnte. Tatsächlich gibt es einige Säugetierarten, bei denen dies bereits passiert ist, dennoch gibt es bei ihnen ganz normal Männchen und Weibchen – der Mann als Geschlecht wird daher wohl nicht aussterben.
Degradierung verlangsamt
Im Jahr 2012 hatten Forscher bereits verglichen, wie sich das Y-Chromosom bei Mensch, Schimpanse und Rhesusaffeentwickelt hat. Ihre Schlussfolgerung damals: Das Y-Chromosom schrumpft zwar, weil es keine Gene mit anderen Chromosomen austauscht, diese Degradierung hat sich aber offenbar im Laufe der Evolution verlangsamt.
Sayres und ihre Kollegen haben nun die Sequenz der Y-Chromosomen bei acht afrikanischen und acht europäischen Männern verglichen – untereinander, aber auch mit den Genen, die auf den restlichen 22 Chromosomen der Zellen enthalten sind und mit dem X-Chromosom.
27 einzigartige Gene
Dabei zeigte sich zweierlei: Zum einen deutet das Muster der genetischen Unterschiede darauf hin, dass die natürliche Selektion dafür sorgt, dass das Y-Chromosom zwar geschrumpft ist, aber in seiner kondensierten Form erhalten bleibt. Denn die dort enthaltenen Gene sind für die männliche Fortpflanzung wichtig und daher für den Menschen unverzichtbar. Weil es keinen Genaustausch mit anderen Chromosomen gibt, ist es zudem unwahrscheinlich, dass die 27 einzig dort vorhandenen Gene auf andere Chromosomen übertragen werden und dann dies das Y-Chromosom verzichtbar macht.
Zu den 27 einzigartigen Genen auf dem Y-Chromosom gehören 17, die der Mensch bereits von seinen vor 200 Millionen Jahren lebenden fernen Vorfahren erbte. Die zehn anderen sind erst evolutionär gesehen kürzlich hinzugekommen, sie liegen in mehrfachen Kopien auf dem Chromosom vor und gelten als wichtig für die männliche Fruchtbarkeit.
Geringe Vielfalt
"Unsere Studie demonstriert, dass sowohl die alten Genen als auch die neu hinzugekommenen wichtig sind und dass das menschliche Y-Chromosom uns noch eine ganze Weile erhalten bleiben wird", konstatiert Sayres. Die Analyse ergab aber auch, dass sich die Y-Chromosomen verschiedener Männer mehr gleichen als bisher angenommen. Die genetische Vielfalt ist hier eher eingeschränkt.
Erklären lässt sich dies ebenfalls durch eine starke Selektion und die Reduktion dieses Genträgers auf das absolut Notwendige. Wenn die Selektion dafür sorgt, dass schädliche Mutationen auf dem Y-Chromosom ausgesondert werden, dann bleibe nicht viel Raum für Variationen übrig, so die Forscher. (PLoS Genetics, 2014; doi: 10.1371/journal.pgen.1004064)
(University of California - Berkeley, 10.01.2014 - NPO)
From The Times, January 14, 2010
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why the y chromosome is a hotbed
for evolution
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By By Mark Henderson, Science Editor
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The Y chromosome is often seen as the rotten corner of the human genome — a place of evolutionary decline that is slowly decaying and threatening the end of man. Reports of its imminent demise, however, have been exaggerated.
Research has indicated that, far from stagnating, the male chromosome is a hotspot of evolution that is changing more quickly than any other part of humanity’s genetic code.
In most mammals the sex of offspring is determined by X and Y chromosomes. Females have two Xs, males have one X and one Y — with the Y making them male. The Y was originally identical to the X, but over 300 million years it has shrunk, and is now the smallest human chromosome.
This is because it occurs on its own, and cannot swap genes to maintain integrity. This decline has led scientists to suggest it would waste away entirely in 125,000 years or so. This would mean the end of men, and probably of humanity.
But the first comparison of the human Y chromosome with its counterpart in chimpanzees has revealed that they differ radically. The findings suggest that the Y chromosomes of both are evolving rapidly and dynamically — probably because of their critical roles in reproduction — and have a vibrant future.
In the new research, which is published in the journal Nature, Dr David Page, of the Massachusetts Institute of Technology — who first sequenced the Y chromosome in 2003 — has now sequenced the Y chromosome of the chimp, humanity’s closest relative, and compared this with the human version.
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The scientists expected the two sequences to look very similar. However, while human and chimp DNA generally differ by less than 2 per cent, more than 30 per cent of the Y chromosome differed between the two species.
“This research shows that the Y chromosome isn’t necessarily degrading, but is evolving very fast,” said Professor Robin Lovell-Badge, of the National Institute for Medical Research in London, an expert on the Y chromosome, who was not involved in the study.
Dr Page likened the process to a home that is constantly under renovation. “People are living in the house, but there’s always some room that’s being demolished and reconstructed,” he said. “This is not the norm for the genome as a whole.” Several factors probably account for the rapid evolution of the Y chromosome. First, the trick it uses to repair genes — known as gene conversion — is probably less efficient than the repair mechanisms used elsewhere in the genome. This allows new mutations to arise more often.
These mutations are then subject to greater selective pressure than the rest of the genome — because of the important role of the Y chromosome in sperm production. Any advantageous mutations would be expected to be preserved as they boost fertility, while deleterious ones would be rapidly flushed from the gene pool.
This is supported by the discovery that the parts of the chromosome involved in sperm production are most different between humans and chimps.
Wes Warren, of Washington University in St Louis, Missouri, who contributed to the study, said: “This work clearly shows that the Y is pretty ingenious at using different tools than the rest of the genome to maintain diversity of genes. These findings demonstrate that our knowledge of the Y chromosome is still advancing.”
.aus New York Times, January 13, 2010:
male chromosome may evolve
fastest
.
A new look at the human Y chromosome has overturned longstanding ideas about its evolutionary history. Far from being in a state of decay, the Y chromosome is the fastest-changing part of the human genome and is constantly renewing itself.
This is “a result as unexpected as it is stunning — truly amazing,” said Scott Hawley, a chromosome expert at the Stowers Institute in Kansas City, Mo.
The Y chromosome makes its owner male because it carries the male-determining gene. Boys are born with one Y and one X chromosome in all their body’s cells, while girls have two X’s. The other 22 pairs of chromosomes in which the human genome is packaged are the same in both sexes.
The Y chromosome’s rapid rate of evolutionary change does not mean that men are evolving faster than women. But its furious innovation is likely to be having reverberations elsewhere in the human genome.
The finding was reported online on Wednesday in the journal Nature by a team led by Jennifer Hughes and David Page of the Whitehead Institute in Cambridge, Mass. In 2003, Dr. Page, working with scientists at the Washington University School of Medicine, decoded the DNA sequence of the human Y chromosome. He and the same Washington University genome team have now decoded the chimpanzee Y chromosome, providing for the first time a reference against which to assess the evolutionary history of the human Y.
The chimpanzee and human lineages shared a common ancestor just six million years ago, a short slice of evolutionary time. Over all, the genomes of the two species are very similar and differ in less than 1 percent of their DNA. But the Y chromosomes differ in 30 percent of their DNA, meaning that these chromosomes are changing far faster in both species than the rest of the genome.
In the case of chimps, their mating habits are probably the source of the fierce evolutionary pressure on their Y chromosome. When a female comes into heat, she mates with all the males in the group, setting up competition within her reproductive tract between the sperm of different males.
Many genes that govern sperm production are situated on the Y chromosome, and any genetic variation that improves a chimp’s chances of fatherhood will be favored and quickly spread through the population.
Sperm competition may have been important in the earliest humans, too, for some years after the chimp and human lineages split. Sperm competition could still play a role in human reproduction, some experts think, given the trickle of cases of heteropaternity, the birth of twins with different fathers.
Another reason for the intensity of selective pressures on the Y chromosome in both chimps and humans may be that natural selection sees it as a single unit, so a change in any one of its genes affects the survival of all the rest. On the other chromosomes, selection is more focused on individual genes because chunks of DNA are swapped between the members of each pair of chromosomes before the generation of eggs and sperm.
This DNA swapping process is forbidden between the X and the Y pair, keeping the male-determining gene from being transferred into the X chromosome, creating gender chaos.
But this prohibition has caused most of the genes on the Y chromosome to decay for lack of fitness. In the rest of the genome, a gene damaged by a mutation can be swapped out for the good copy on the other chromosome.
In the Y, which originally had the same set of genes as the X, most of the X-related genes have disappeared over the last 200 million years. Until now, many biologists have assumed either that the Y chromosome was headed for eventual extinction, or that its evolutionary downslide was largely over and it has sunk into stagnation.
Dr. Page’s new finding is surprising because it shows that the Y chromosome has achieved an unexpected salvation. The hallmark of the Y chromosome now turns out to be renewal and reinvigoration, once the unnecessary burden of X-related genes has been shed.
“Natural selection is shaping the Y and keeping it vital to a degree that is really at odds with the idea of the last 50 years of a rotting Y chromosome,” Dr. Page said. “It is now clear that the Y chromosome is by far the most rapidly evolving part of the human and chimp genomes.”
This does not mean that men are evolving faster than women, given that the two belong to the same species, but it could be that the Y’s rate of change drives or influences the evolution of the rest of the human genome in ways that now need to be assessed. It would be “hard to imagine that these dramatic changes in the Y don’t have broader consequences,” Dr. Page said.
Andrew Clark, a geneticist who works on the Y chromosome at Cornell University, said the Y’s fast turnover of DNA could effect the activity of genes throughout the genome, because just such an effect has been detected in laboratory fruit flies.
The decoding of the Y chromosome’s DNA was particularly difficult because the chromosome is full of palindromes — runs of DNA that read the same backward as forward — and repetitive sequences that confuse the decoding systems. Decoding the human Y took 13 years, and the chimp Y took eight years, Dr. Page said.
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