Universidade do Estado do Rio de Janeiro Faculdade de Formação de Professores Genética Básica – Prof. Wagner Gonçalves Bastos Texto da Profa. Leda Navajas Haim, modificado. CROMOSSOMOS SEXUAIS E OS SISTEMAS DE DETERMINAÇÃO CROMOSSÔMICA DO SEXO Introdução: A descoberta dos cromossomos sexuais A primeira descrição de uma estrutura nuclear, o "elemento X", que mais tarde se comprovou ser um cromossomo, o cromossomo X, foi feita pelo pesquisador Henking, em 1891. Henking, ao estudar o comportamento dos cromossomos na espermatogênese de um inseto, o percevejo Pyrrhocoris apterus, observou que tal estrutura apresentava um comportamento peculiar na meiose, migrando como um todo para um dos pólos do fuso na primeira divisão, de forma a ser incluído em apenas uma das células filhas. Tal elemento era encontrado, portanto, em apenas metade dos espermatozóides. Na verdade foi um primeiro achado, dentre vários outros que se seguiriam nessa época, que viriam a demonstrar, anos mais tarde, que a determinação do sexo poderia estar relacionada a um determinado cromossomo. Em 1901, Montgomery realizou uma investigação detalhada dos cromossomos de vários insetos, da Ordem Hemíptera, tanto na espermatogênese, como na oogênese, e dentre várias observações importantes, que contribuíram para a posterior formulação da Teoria Cromossômica da Herança por Sutton e Boveri, em 1902, descreveu também a existência de cromossomos "acessórios", embora não os tivesse relacionado com a determinação do sexo. Nesse mesmo ano McClung, estudando muitas espécies diferentes de gafanhotos, observou que as células somáticas das fêmeas tinham um número de cromossomos diferente dos machos. Acompanhou o comportamento do "elemento X" apenas na espermatogênese, por ser a oogênese mais difícil de ser estudada, e chegou à conclusão de que o elemento acessório X estaria de alguma forma relacionado com a determinação do sexo. Entretanto acreditou, erroneamente, que fosse restrito aos machos e que sua função estaria relacionada à determinação da masculinidade. Mas em 1905, Wilson e Stevens, independentemente, conseguiram acompanhar a oogênese e espermatogênese em vários insetos e puderam estabelecer que existia uma diferença cromossômica entre os sexos das espécies estudadas, e conseguiram chegar à interpretação correta sobre o significado dos cromossomos "acessórios". Wilson, ao estudar algumas espécies da Ordem Hemíptera, pôde observar duas situações diversas: uma, que chamou do tipo A, em que as fêmeas possuíam um cromossomo a mais em relação aos machos, e outra situação, do tipo B, observada em Lygaeus turcicus, em que ambos os sexos apresentavam o mesmo número de cromossomos, mas o "homólogo" do cromossomo X era bem menor e foi chamado de cromossomo Y. No primeiro caso, acompanhando tanto a oogênese como a espermatogênese, pôde observar que os gametas femininos apresentavam 7 cromossomos e os masculinos, alguns apresentavam 7 cromossomos e outros gametas, do mesmo indivíduo, apresentavam apenas 6 cromossomos. Constatou ainda que óvulos fertilizados por gametas com 6 cromossomos resultavam em machos, ao passo que, se fecundados por um espermatozóide com 7 cromossomos, resultavam em fêmeas. Pôde assim relacionar a determinação do sexo com a presença ou não de certos cromossomos. Paralelamente Stevens, em seus estudos em células somáticas e germinativas de ambos os sexos de Tenebrio molitor, um besouro, pôde também observar que esses insetos apresentavam uma diferença não no número, mas no tamanho dos cromossomos. Os óvulos apresentavam sempre 10 cromossomos grandes, mas os espermatozóides podiam ser de dois tipos: ou com 10 cromossomos grandes, que resultavam em fêmeas após a fertilização, ou com 9 cromossomos grandes e um pequeno, que ao fertilizarem um óvulo resultavam em machos. A diferença cromossômica entre machos e fêmeas, observada no caso "A" de Wilson evidenciava, na verdade, um exemplo do que passou a ser considerado um sistema simples de determinação cromossômica do sexo do tipo XX/X0, fêmeas XX e machos X0, sendo que nesse caso o macho é considerado o sexo heterogamético por ser capaz de produzir dois tipos de gametas do ponto de vista dos cromossomos sexuais, e a fêmea é o sexo homogamético, por formar gametas apenas de um tipo, com um cromossomo X. No caso "B", e na espécie estudada por Stevens, a determinação sexual era do tipo XX/XY, que na verdade se mostrou ser o sistema de determinação cromossômica do sexo mais freqüente entre os animais superiores estudados. Mais tarde foram descobertos outros sistemas em que a fêmea era o sexo heterogamético, e para facilitar a distinção entre os dois sistemas, o novo sistema foi denominado ZZ/Z0 ou ZZ/ZW (machos ZZ e fêmeas Z0 ou ZW). Assim a diferença numérica de cromossomos, observada entre indivíduos de sexos diferentes em algumas espécies de insetos e, posteriormente, a observação de cromossomos heteromórficos, foram descobertas importantes no início da Citogenética por demonstrarem que a determinação do sexo poderia estar relacionada a um determinado cromossomo. Os cromossomos sexuais e a herança ligada ao sexo: genes situados nos cromossomos Historicamente, a descoberta, no final da primeira década do século XX e início da segunda, de que certas características apresentavam uma herança genética peculiar que só poderia ser explicada se o gene em questão estivesse localizado em um cromossomo sexual (herança ligada ao sexo), aliada a achados citogenéticos que comprovavam a existência de diferenças cromossômicas entre os indivíduos dos dois sexos, vieram ajudar a confirmar a hipótese de que genes estavam nos cromossomos, teoria proposta por Sutton e Boveri no início do século (1902). Doncaster e Raynor (1906), constataram, por exemplo, ao estudarem a proporção fenotípica de cruzamentos entre mariposas Abraxas, que diferiam quanto à cor das asas, uma exceção às leis mendelianas clássicas em que a proporção fenotípica em F1 não dependia do sexo do progenitor. Observaram que ao cruzar fêmeas de asas claras com machos de asas escuras, os descendentes eram todos de asas escuras, mostrando que o alelo para asa clara era recessivo. Mas ao cruzar fêmeas de asas escuras com machos de asas claras, todas as fêmeas descendentes desse cruzamento eram de asas claras e os machos de asas escuras. Seus achados peculiares puderam ser mais tarde explicados pela presença do sistema de determinação cromossômica do sexo do tipo ZZ/ZO em mariposas. Morgan foi, em 1909, o primeiro a constatar que os resultados genéticos de cruzamentos recíprocos em Drosophila quanto à cor de olho, vermelho (selvagem, dominante) x white (mutante, recessivo), eram consistentes com o comportamento meiótico já conhecido dos cromossomos X e Y. Seus experimentos falavam fortemente a favor da hipótese de que os genes estavam localizados nos cromossomos, uma vez que as proporções fenotípicas observadas eram coerentes com a hipótese desse dois alelos para cor de olho: W (olho vermelho) e w (olho branco) estarem localizados no cromossomo X. Mas a prova definitiva de que genes estavam nos cromossomos veio com os trabalhos de Bridges, estudante de Morgan, em 1916. Bridges procurava uma explicação para a origem de alguns machos excepcionais de Drosophila melanogaster, que pareciam ter herdado do pai e não da mãe as características ligadas ao sexo, como normalmente era observado nos cruzamentos dessas moscas. Ao cruzar fêmeas de Drosophila de olhos brancos (característica recessiva, ligada ao X) com machos de olhos vermelhos (característica dominante), conseguiu obter alguns desses indivíduos com fenótipos excepcionais quanto ao sexo e cor de olho: fêmea de olhos brancos, e macho de olhos vermelhos, mas estéril. Tal resultado indicava que o descendente macho havia herdado o gene de seu pai, e não de sua mãe, XX, que era o sexo homogamético. E a fêmea excepcional deveria ter herdado os dois cromossomos X de sua mãe. Achados citogenéticos posteriores confirmaram que havia ocorrido uma não-disjunção na meiose feminina dando origem a um óvulo sem o cromossomo X, o que explicava o macho de olho vermelho, se o único cromossomo presente nesse descendente macho era o cromossomo X herdado de seu pai. A fêmea excepcional também sugeria uma aberração cromossômica, como a presença de 2 cromossomos X maternos, tendo sido confirmado o cariótipo XXY, resultado também de não-disjunção na ovogênese. Mecanismos de determinação sexual As diferentes origens da reprodução sexuada, ao longo da evolução, fornecem evidências das vantagens conferidas pelo sexo, dentre as quais a recombinação gênica cujos benefícios são, sem dúvida, evidentes. Nas espécies de reprodução sexuada, ou seja, espécies com indivíduos capazes de produzir gametas que se fusionem para formar um novo indivíduo, os gametas masculinos e femininos podem ser formados no mesmo indivíduo, que são as espécies monóicas, ou, o que é mais freqüente, os gametas masculinos e femininos são formados em indivíduos diferentes, unissexuados. Nesse caso o sistema de reprodução é dito dióico, ou seja, a espécie é dividida em duas subpopulações, a masculina e a feminina, sendo que cada indivíduo produz apenas um tipo de gameta, ou masculino, ou feminino. Na maioria dos organismos de reprodução sexuada, são formados gametas claramente distintos do ponto de vista morfológico: gametas pequenos, móveis e em grande número no sexo masculino, considerado sexo doador de gametas, e gametas grandes, sésseis e em pequeno número no sexo feminino, ou sexo receptor de gametas. Mas organismos mais simples, unicelulares, como na Chlamydomona reinhardtii, uma alga verde unicelular, a reprodução sexuada envolve a fusão de dois tipos de células, os gametas, ditos "+" ou "-", que diferem apenas a nível bioquímico, mas que não apresentam diferenças a nível morfológico (isogamia). Essas diferenças estão relacionadas a alelos de um único loco, o "mating type", e impedem a fecundação entre gametas com o mesmo sinal, ou sexo. Nas espécies hermafroditas, maior parte dos invertebrados, principalmente os inferiores, e maioria das plantas superiores, gimnospermas e angiospermas, os dois sexos estão presentes no mesmo organismo, e a diferenciação dos órgãos sexuais vai depender, basicamente, de regulação gênica, semelhante ao processo que leva à diferenciação de outros tecidos nesses organismos. Em outros casos, embora o sexo fenotípico seja definido, ou seja, os indivíduos são machos ou fêmeas, esses indivíduos apresentam o mesmo potencial genético para se transformarem em um ou outro sexo, mas algum fator ambiental específico dispara a expressão de genes produtores do fenótipo masculino ou de genes que levam à produção do fenótipo feminino. Portanto a regulação gênica que resulta na determinação sexual depende de fatores externos, que podem ser temperatura, substâncias químicas, etc. Na Bonnelia virides, verme marinho, as formas jovens vão se diferenciar em macho ou fêmea dependendo dos ovos terem contato ou não com certas substâncias liberadas pelo corpo da fêmea adulta. As formas jovens próximas às fêmeas adultas se transformam em machos, que eventualmente migram para o trato reprodutivo feminino, onde se tornam parasitas. Já os vermes jovens que ficarem mais afastados se transformam em fêmeas. Em certas espécies de peixes a determinação sexual pode estar relacionada à idade, enquanto que em répteis ovíparos é comum a determinação sexual dependente da temperatura (TSD). Em várias espécies de crocodilos e lagartos, a incubação constante dos ovos a temperaturas mais elevadas resulta no nascimento de machos fenotípicos, enquanto que sua incubação a temperaturas mais baixas resulta no nascimento de fêmeas. E em muitas tartarugas marinhas se observa o padrão inverso: as fêmeas são produzidas a temperaturas mais altas e os machos a temperaturas mais baixas. O sexo é, portanto, determinado durante a embriogênese, sob influência da temperatura. O processo de escolha da via de diferenciação sexual, se masculina ou feminina, consiste na determinação sexual, os quais envolvem mecanismos que variam bastante, mesmo em grupos relacionados. Nos organismos com dimorfismo sexual, o fenótipo sexual adulto resulta de uma cascata de vias geneticamente determinadas, com uma ordem seqüencial e dependentes, em geral, de um sinal inicial, disparador, o "switch" regulador primário, que é ativado em algum ponto no início do processo, levando à determinação sexual. Esse "switch" inicial pode então ser disparado por fatores ambientais ou pode ser determinado geneticamente. Na maioria das espécies dióicas, a determinação sexual depende de diferenças gênicas entre os sexos. O aparecimento dessas diferenças a nível gênico e que são importantes para o início do processo de diferenciação sexual, resultou no aparecimento e evolução dos cromossomos sexuais e no desenvolvimento de sistemas de determinação cromossômica do sexo. O cromossomo que apresenta pelo menos um gene responsável pelo início da diferenciação sexual, e que difere qualitativa ou quantitativamente entre machos e fêmeas, é chamado de cromossomo sexual, ou alossomo, e os demais são chamados de autossomos. A evolução dos cromossomos sexuais O aparecimento dessas diferenças gênicas teria resultado, ao longo de um processo evolutivo, no aparecimento de cromossomos sexuais heteromórficos, ou seja, capazes de serem distinguidos entre si morfologicamente, embora existam espécies dióicas, com cromossomos sexuais, mas cujo heteromorfismo não seja tão evidente, embora a detecção de diferenças mais sutis possa depender também da disponibilidade de técnicas apropriadas. Mas o fato de espécies filogeneticamente não relacionadas, ou muito distantemente relacionadas, apresentarem cromossomos sexuais heteromórficos, com propriedades características semelhantes, fala a favor de que forças evolutivas relativamente simples estejam relacionadas com a diferenciação dos cromossomos sexuais. Alguns eventos relacionados a essa diferenciação seriam: a) surgimento de uma determinação gênica do sexo, por exemplo, com a evolução de um alelo determinante do sexo em um dos homólogos de um par de autossomos de um genoma ancestral. A evolução de outros genes sexualmente antagônicos poderia resultar em vantagens seletivas para o sexo em questão, que seria o sexo heterogamético; b) aparecimento de mecanismos impedindo o emparelhamento e/ou a recombinação meiótica entre os cromossomos sexuais, por exemplo, X e Y, em parte ou em todo o seu comprimento, restringindo dessa forma a recombinação em segmentos contendo o(s) gene(s) controlador(es) da função sexual. O estudo citogenético na meiose masculina de várias espécies permitiu observar que certas regiões do X e Y emparelham, e outras não. Esses segmentos de não emparelhamento, provavelmente aqueles que contêm o(s) gene(s) relacionados ao mecanismo de determinação sexual, são chamados de segmentos diferenciais, ao contrário dos segmentos que emparelham normalmente, evidenciando sua homologia. Nesses segmentos de emparelhamento, conhecidos como segmentos pseudo-autossômicos (PARs), ocorre recombinação, importante para a segregação correta dos cromossomos sexuais na meiose do sexo heterogamético; c) inatividade genética crescente do cromossomo heteromórfico, ou seja, do cromossomo presente em apenas um dos sexos (Y ou W), com o acúmulo de mutações recessivas, perda de função gênica, perda de material cromossômico, como conseqüência da não recombinação, geralmente resultando em uma redução no tamanho desse cromossomo, contribuindo assim para sua diferenciação morfológica; d) acúmulo de seqüências repetitivas de DNA no cromossomo sexual presente em apenas um dos sexos, geralmente com heterocromatinização constitutiva, parcial ou total; e) desenvolvimento de mecanismos de compensação de dose quanto à produção gênica do cromossomo sexual presente em dose dupla em um dos sexos e dose simples no outro. Com o surgimento do heteromorfismo entre os alossomos passam a surgir diferenças na quantidade de genes ativos, ou seja, os indivíduos do sexo que apresenta o cromossomo heteromórfico (por exemplo, sexo XY) tenderiam a apresentar menos genes ativos que os do outro sexo, com dois cromossomos homólogos (por exemplo, sexo XX). Existem numerosos exemplos de níveis intermediários de diferenciação genética e estrutural entre cromossomos sexuais X e Y. É provável, portanto, que sistemas mais avançados tenham evoluído a partir de sistemas em que o X e o Y eram praticamente homólogos entre si, e que espécies dióicas possam ter surgido a partir de espécies monóicas. (Charlesworth, 1991). Sistemas de determinação cromossômica do sexo São sistemas onde a determinação do sexo depende da presença de cromossomos sexuais, geralmente heteromórficos. A. Sistemas simples Sistemas com a participação de apenas um par de alossomos. Nesses sistemas ou o macho é o sexo heterogamético, e nesse caso o sistema é denominado XX/X0 ou XX/XY (fêmea e macho, respectivamente), ou a fêmea é o sexo heterogamético, quando é utilizada a denominação ZZ/Z0 ou ZZ/ZW (macho e fêmea, respectivamente). O sistema XX/X0 é observado em algumas aranhas e na maioria dos insetos, especialmente odonatas, ortópteros, hemípteros e heterópteros, daí ter sido o primeiro sistema descoberto, uma vez que algumas espécies desses insetos foram as primeiras a serem utilizadas em estudos citogenéticos. Já o sistema XX/XY se mostrou o mais comum entre os animais superiores, sendo encontrado na maioria dos animais, principalmente mamíferos, também em dípteros e em algumas angiospermas, como espécies do gênero Lychnis. O sistema ZZ/Z0 é observado em algumas espécies de mariposas e alguns outros insetos, enquanto que o sistema ZZ/ZW foi encontrado em aves, certos répteis, certos peixes, esquistossomos e lepidópteros. B. Sistemas múltiplos Sistemas múltiplos são sistemas com a participação de mais de um par de cromossomos na determinação do sexo. Esses sistemas se originam de sistemas simples pré-existentes no grupo, e o principal mecanismo responsável pela formação de cromossomos sexuais múltiplos são as translocações, recíprocas ou Robertsonianas, entre um dos cromossomos sexuais e um autossomo. Exemplos em que o macho é heterogamético: a) Sistema neo XX:XY, a partir do sistema XX:X0 - translocação heterozigota desigual, do tipo Robertsoniana, de um autossomo acrocêntrico (A) para o cromossomo X, também acrocêntrico, com perda das regiões pró-cêntricas, podendo originar um sistema XX:XY. Neste caso o Y tem exatamente o mesmo conteúdo gênico que o autossomo da classe parental X0 e, portanto, de início não contém genes sexuais, mas apresenta um segmento pequeno terminal diferencial. Ex: freqüente em gafanhotos. b) Sistema X1X1X2X2:X1X2Y, a partir de XX:X0 - devido a uma translocação X/Autossomo, por exemplo, entre metacêntricos, em que a perda dos cromossomos resultantes dessa translocação recíproca não é tolerada. - não há perda de centrômero e não há formação de segmento diferencial no Y. O cromossomo agora denominado Y é o autossomo original que de início não deve ter genes masculinizantes, mas adquire a condição de Y, pois passa a existir em dose simples somente no macho. Ex: louva-a-deus, da Ordem Mantódea. c) Sistema XX:XY1Y2, a partir de XX:XY - por translocação de um autossomo para o cromossomo X. Neste sistema os machos (2n+1) sempre têm um cromossomo a mais do que as fêmeas (2n). - um exemplo seria uma translocação Robertsoniana entre um X e um autossomo, ambos acrocêntricos, com pontos de quebra próximos ao centrômero. Haverá a formação de um fragmento cêntrico cuja perda será tolerada e de um novo cromossomo (X/A) com dois braços cromossômicos. Superficialmente o cariótipo do macho contém dois Y e na meiose forma-se um trivalente. Na verdade este mecanismo é basicamente um sistema XX/XY, pois embora o Y2 só exista no macho, nada tem a ver com genes determinadores do sexo, porém apresenta um pequeno segmento diferencial. Alguns autores preferem chamar este sistema X/A X/A:X/A A/Y. Ex: em muitas espécies de mamíferos, abrangendo várias Ordens (Rodentia, Marsupialia, Insectivora, Chiroptera, etc.), em espécies de peixes e em insetos. d) Sistemas X1X1X2X2:X1X2Y, a partir de XX:XY - pode ser originado a partir da translocação, do tipo Robertsoniana, de um autossomo acrocêntrico para um cromossomo Y. Neste caso os machos têm 2n-1 cromossomos e as fêmeas 2n. O verdadeiro cromossomo sexual X é designado como X1. O cromossomo Y se transloca para um autossomo acrocêntrico e é o único presente só no macho. O fragmento cêntrico pode ser perdido, pois não carrega genes importantes. O homólogo desse autossomo não participa da determinação sexual, mas como existe em dose dupla nas fêmeas e simples nos machos, é designado como X2. Basicamente o sistema continua XX:XY e alguns autores usam a designação XXAA:X A Y/A. - na meiose os machos formam um trivalente, onde as duas extremidades do Y entram em sinapse com os segmentos homólogos terminais do X1 e do X2, e devem ocorrer quiasmas para haver uma segregação balanceada. Ex: em várias espécies de mamíferos (Marsupialia, Rodentia, Carnivora, Arthiodactyla, etc.), em peixes e em muitas espécies de gafanhotos e grilos. e) Sistema X1X1X2X2:X1X2Y1Y2, a partir de XX:XY - resulta de uma translocação recíproca, por exemplo, de um braço de um autossomo metacêntrico para o cromossomo Y, que presente só nos machos, passa a ser designado como Y1. O outro braço do autossomo passa a ser o Y2, pois só existe nessa forma nos machos. O autossomo metacêntrico original passa a ser o X2 e o cromossomo X original, que não sofreu alteração, é designado como X1. Na meiose existe a possibilidade de formação de um quadrivalente, dependendo dos segmentos homólogos envolvidos nessa translocação. - este sistema também poderia ser designado como XXAA : X A A/Y Y/A. Ex: descrito num roedor, o Microtus arvalis para pólos opostos. f) Sistema X1X1X2X2:X1X20, a partir de XX:X0 - maioria das aranhas. Exemplo em que a fêmea é heterogamética: a) Sistema ZW 1W 2:ZZ, a partir de ZW:ZZ Ex: algumas espécies de serpentes. C. Sistema haplo-diplóide Os machos são haplóides, originados por desenvolvimento partenogenético, a partir de óvulos não fecundados. Por serem haplóides a meiose I é incompleta, não ocorrendo separação dos cromossomos como ocorre normalmente. A meiose II é normal, resultando em duas células. Já as fêmeas são diplóides, originadas a partir de um óvulo fecundado, e sua meiose é normal. Esse sistema foi observado em Himenópteros (vespas, abelhas, formigas, etc.) e em alguns poucos outros animais. Resultados de experimentos feitos por Whiting (1945) mostraram que a determinação sexual é na verdade controlada pelo estado homozigoto, heterozigoto ou hemizigoto de certos segmentos cromossômicos. A determinação sexual feminina depende da heterozigosidade para parte de um cromossomo. Se as formas diferentes deste segmento cromossômico fossem designadas Xa, Xb e Xc, os indivíduos com uma constituição cromossômica do tipo XaXb, XaXc, ou XbXc nasceriam fêmeas. Indivíduos hemizigotos (Xa, Xb ou Xc) não podem ser heterozigotos e, portanto, são machos. Whiting mostrou, usando manipulações genéticas de forma a produzir machos diplóides homozigotos (XaXa, XbXb, ou XcXc), que a determinação sexual depende na verdade da composição genética desta região do cromossomo e não da diploidia versus haploidia. D. Balanço Gênico Em algumas espécies, a determinação do sexo pode ser feita à partir de um balanço gênico, onde: BG = alossomos X autossomos Fêmeas = 2A XX, logo 2X/2A = 1 Machos = 2A XY, logo 1X/2A = 0,5 Em drosófilas: 1X/3A < 0,5 - supermacho 2X/3A = entre 0,5 e 1 - interssexuado 3X/2A > 1 - superfêmea Bibliografia consultada: Charlesworth, B (1991) - The evolution of sex chromosomes. Science, 251:1030-1033. th Griffiths, A.J.F, Miller, J.H., Suzuki, D.T., Lewontin, R.C., Gelbart, W.M. - An Introduction to Genetic Analysis. 6 ed. New York: Freeman and Company, 1996. Guerra, M. - Introdução à Citogenética Geral. Rio de Janeiro: Ed.Guanabara, 1988. Moore, J.A. - Science as a Way of Knowing Genetics. Amer. Zool. v.26: p.583-747, 1986. Reed, K.C. & Graves, J.A.M. (ed.) - Sex chromosomes and Sex-determining genes. Switzerland: Harwood Academic Publishers, 1993.