Il cromosoma Y: oltre la determinazione del genere

Il cromosoma Y: oltre la determinazione del genere

Di Roseanne F. Zhao, Ph.D.
NIH M.D./Ph.D. Partnership Training Program Scholar

Il genoma umano è organizzato in 23 coppie di cromosomi (22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali), e ogni genitore contribuisce con un cromosoma per coppia. I cromosomi X e Y, noti anche come cromosomi sessuali, determinano il sesso biologico di un individuo: le femmine ereditano un cromosoma X dal padre per un genotipo XX, mentre i maschi ereditano un cromosoma Y dal padre per un genotipo XY (le madri trasmettono solo cromosomi X). La presenza o l’assenza del cromosoma Y è fondamentale perché contiene i geni necessari per annullare il default biologico – lo sviluppo femminile – e causare lo sviluppo del sistema riproduttivo maschile.
Anche se il ruolo del cromosoma Y nella determinazione del sesso è chiaro, la ricerca ha dimostrato che sta subendo un rapido deterioramento evolutivo. Molte generazioni fa il cromosoma Y era grande e conteneva tanti geni quanto il cromosoma X. Ora è una frazione delle sue dimensioni passate e contiene meno di 80 geni funzionali. Questo ha portato a dibattiti e preoccupazioni nel corso degli anni riguardo all’eventuale destino del cromosoma Y. Molti ipotizzano che il cromosoma Y sia diventato superfluo e che potrebbe decadere completamente entro i prossimi 10 milioni di anni. Mentre gli studi sul cromosoma Y sono stati impegnativi a causa della natura palindromica e ricca di ripetizioni della sua sequenza di DNA, i recenti progressi genomici hanno fornito alcune intuizioni inaspettate.
Questa puntata del Genome Advance of the Month evidenzia due studi pubblicati nel numero del 24 aprile 2014 di Nature che esplorano il percorso evolutivo del cromosoma Y in vari mammiferi. Insieme, questi studi dimostrano la stabilità del cromosoma Y negli ultimi 25 milioni di anni. Essi rivelano inoltre alcune funzioni critiche del cromosoma Y che suggeriscono che potrebbe essere qui per rimanere.
Per iniziare, approfondiamo prima l’origine evolutiva dei cromosomi sessuali, circa 200-300 milioni di anni fa. I cromosomi X e Y, entrambi derivati dagli autosomi, erano inizialmente della stessa dimensione. In un momento specifico, il cromosoma Y perse gradualmente la capacità di ricombinarsi – o di scambiare informazioni genetiche – con il cromosoma X e cominciò ad evolversi in modo indipendente. Questo ha portato rapidamente a un deterioramento catastrofico del cromosoma Y, che ora contiene solo il 3% dei geni che una volta condivideva con il cromosoma X.

I lavori recenti dei gruppi di ricerca di David C. Page, M.D., al Whitehead Institute, Massachusetts Institute of Technology, e Henrik Kaessmann, Ph.D, presso l’Istituto svizzero di bioinformatica e l’Università di Losanna in Svizzera, suggerisce che il declino inizialmente rapido del cromosoma Y potrebbe essersi livellato e stabilizzato.
Utilizzando diverse tecnologie genomiche, questi due gruppi di ricerca hanno analizzato l’evoluzione del cromosoma Y in modo indipendente in due serie separate di mammiferi che coprono più di 15 specie diverse, tra cui esseri umani, scimpanzé, scimmie rhesus, tori, marmoset, topi, ratti, cani e opossum. Sorprendentemente, hanno trovato un piccolo ma stabile gruppo di geni regolatori essenziali sul cromosoma Y che hanno resistito per un lungo periodo di tempo evolutivo, anche mentre i geni circostanti stavano decadendo. Significativamente, questi geni giocano un ruolo criticamente importante nel governare l’espressione di altri geni in tutto il genoma e possono influenzare i tessuti in tutto il corpo umano. Una delle ragioni per la continua resistenza di questi geni regolatori del cromosoma Y è che sono “dose-dipendenti”, il che significa che due copie sono necessarie per la normale funzione.
Per la maggior parte dei geni del cromosoma X, è necessaria solo una copia. Le femmine hanno due cromosomi X e quindi due copie di ogni gene X-linked, quindi una copia è casualmente inattivata, o spenta. I maschi hanno un solo cromosoma X e quindi solo una copia è espressa.
Tuttavia, i geni regolatori sono spesso dose-dipendenti e aplo-insufficienti, cioè sono richieste due copie del gene e la presenza di una sola copia può portare ad anomalie o malattie. Nelle femmine, questi geni regolatori sfuggono all’inattivazione X in modo che anche la copia sul secondo cromosoma X sia espressa; nei maschi, che hanno un solo cromosoma X, la conservazione di questo gruppo di geni regolatori sul cromosoma Y è fondamentale per fornire la seconda copia.
Questo significa che, oltre al suo ruolo nella determinazione del sesso e nella fertilità, il cromosoma Y contiene anche importanti geni che sono fondamentali per la salute e la sopravvivenza dei maschi.
Queste scoperte hanno notevoli implicazioni per la nostra comprensione delle differenze in biologia, salute e malattia tra uomini e donne. Poiché i geni sui cromosomi X e Y hanno una storia di selezione indipendente l’uno dall’altro, possono esistere sottili differenze funzionali che sono una diretta conseguenza delle differenze genetiche sui due cromosomi. Mentre queste differenze non sono ancora state esplorate in grande dettaglio, più studi sui geni conservati del cromosoma Y possono aiutarci a capire le differenze nella biologia di base e la suscettibilità alle malattie negli uomini e nelle donne e guidare meglio la gestione della salute.

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Inviato: 30 maggio 2014