Καθορισμός και διαφοροποίηση του φύλου Η διαδικασία που καταλήγει στην εμφάνιση κανονικού φύλου διέρχεται από διάφορες φάσεις. ιακρίνονται η φάση της γονιμοποίησης, η φάση διαφοροποίησης των εμβρυϊκών γονάδων, η φάση ανάπτυξης ή υποστροφής των γεννητικών πόρων, η φάση διαφοροποίησης του ουρογεννητικού κόλπου, η φάση διαφοροποίησης του εγκεφάλου και η φάση αναπτύξεως των δευτερευόντων χαρακτήρων του φύλου. Η διαφοροποίηση ενός ατόμου σε ένα από τα δύο φύλα καθορίζεται ήδη κατά τη γονιμοποίηση από τη χρωματοσωματική σύσταση των γαμετών. Στα θηλαστικά, ο θηλυκός οργανισμός φέρει δύο όμοια φυλετικά χρωματοσώματα Χ. Στον αρσενικό οργανισμό, αντίθετα, τα φυλετικά χρωματοσώματα είναι διαφορετικά^ το ένα είναι όμοιο με το χρωματόσωμα Χ, ενώ το άλλο διαφέρει σε σχήμα και μέγεθος και ονομάζεται Υ χρωματόσωμα. Το γεγονός αυτό εξασφαλίζει έναν απλό τρόπο φυλοκαθαρισμού. Ενώ ο θηλυκός οργανισμός σχηματίζει γαμέτες που φέρουν μόνο χρωματοσώματα Χ^ το αρσενικό άτομο παράγει κατά 50% γαμέτες που φέρουν το Χ χρωματόσωμα και κατά 50% γαμέτες που φέρουν το χρωματόσωμα Υ. Κατά συνέπεια, η γονιμοποίηση ενός ωαρίου από ένα σπερματοζωάριο θα δώσει θηλυκό απόγονο ΧΧ, ενώ η γονι-
κεφάλαιο ενώ η γονιμοποίησή του από ένα Υ σπερματοζωάριο θα δώσει αρσενικό απόγονο ΧΥ. Ο χρωματοσωματικός αυτός συνδυασμός (ΧΥ=αρσενικό, ΧΧ=θηλυκό) καλείται γενετικό ή χρωματοσωματικό φύλο. Οι καταβολές του γεννητικού συστήματος εμφανίζουν αρχικά αδιαφοροποίητη μορφή, κοινή και για τα δύο φύλα. ιακρίνονται η γεννητική ταινία, οι γεννητικοί πόροι (πόροι του Wolff και πόροι του Mueller) και ο ουρογεννητικός κόλπος. Οι γαμέτες προέρχονται από τα αρχέγονα γεννητικά κύτταρα. Πρόκειται για κύτταρα με σχετικά μεγάλο μέγεθος, μεγάλο στρογγυλό πυρήνα και δύο έως τρεις ευδιάκριτους πυρηνίσκους. Είναι πλούσια σε γλυκογόνο, αλκαλική φωσφατάση και εστεράσες. Τα αρχέγονα γεννητικά κύτταρα είναι εξωγοναδικής προέλευσης. Έρχονται όμως και εγκαθίστανται νωρίς κατά την εμβρυϊκή ζωή στις καταβολές των γονάδων. Αρχικά, ανιχνεύονται στο ενδόδερμα του λεκιθικού ασκού, πλησίον του εξελισσόμενου αλλαντοειδούς υμένα. Από εκεί μεταναστεύουν στο συνδετικό ιστό του τελικού εντέρου από όπου μέσω του μεσεντερίου φθάνουν στην περιοχή των καταβολών των νεφρών και τελικά στις καταβολές των γονάδων. Τα αρχέγονα γεννητικά κύτταρα διαθέτουν ψευδοπόδια και κινούνται αμοιβαδοειδώς. Η μετακίνησή τους και ιδιαίτερα κατά τα πρώτα στάδια της μετανάστευσης, υποβοηθείται από τη δράση λυτικών ενζύμων. Είναι επίσης πιθανό να έλκονται από ειδικές χημικές ουσίες οι οποίες παράγονται στις γονάδες. Η πρώτη καταβολή των γονάδων εμφανίζεται κατά μήκος του μεσονέφρου και μεταξύ αυτού και της ρίζας του μεσεντερίου. Ο σχηματισμός αυτός ονομάζεται γεννητική ταινία και προέρχεται από πολλαπλασιασμό του επιθηλίου του σπλαγχνικού κοιλώματος. Όταν τα αρχέγονα γεννητικά κύτταρα φθάσουν στον προορισμό τους, η αδιαφοροποίητη γονάδα αποτελείται εξωτερικά από το γεννητικό ή βλαστικό επιθήλιο και εσωτερικά από το μεσεγχυματικό πυρήνα. Ο μεσεγχυματικός πυρήνας αποτελείται από μεσέγχυμα και από δοκίδες επιθηλιακών κυττάρων. Οι δοκίδες αυτές ονομάζονται γεννητικές δοκίδες και είναι κυτταρικές προσεκβολές που εκπέμπει το γεννητικό επιθήλιο στο μεσέγχυμα. 4
Καθορισμός και διαφοροποίηση του φύλλου Σχήμα.1 Καρυότυπος του προβάτου (Broad κ.σ., 1997). Ο διπλοειδής αριθμός χρωματοσωμάτων στο πρόβατο είναι 54. Τα αυτοσωματικά χρωματοσώματα αποτελούνται από τρία ζεύγη ευμεγεθών μετακεντρικών και από 3 ζεύγη τελοκεντρικών χρωματοσωμάτων. Το χρωματόσωμα Χ είναι ένα ευμεγέθες ακροκεντρικό χρωματόσωμα και το Υ ένα πολύ μικρό μετακεντρικό χρωματόσωμα. 5
κεφάλαιο Σχήμα. ιαφοροποίηση των γονάδων. Α και Β=αδιαφοροποίητη μορφή, Γ= διαφοροποίηση σε όρχι, = διαφοροποίηση σε ωοθήκη (Burns, 1961). Σε αυτό το στάδιο εξέλιξης οι «θηλυκές» και οι «αρσενικές» γονάδες είναι ακόμη μορφολογικά όμοιες (σχήμα.). Η διαφοροποίηση σε όρχεις εκδηλώνεται στο πρόβατο κατά την 35 η ημέρα μετά τη γονιμοποίηση, με την εμφάνιση μιας στιβάδας από συνδετικό ιστό κάτω από το γεννητικό 6
Καθορισμός και διαφοροποίηση του φύλλου επιθήλιο. Η στιβάδα αυτή, η οποία διαχωρίζει τις γεννητικές δοκίδες από το γεννητικό επιθήλιο, θα αποτελέσει τον ινώδη χιτώνα του όρχεως. Από τις απομονωθείσες δοκίδες διαπλάσσονται τα σπερματικά σωληνάρια και το ορχικό δίκτυο. Τα σπερματικά σωληνάρια αποτελούνται από τα αρχέγονα γεννητικά κύτταρα, τα οποία πλέον καλούνται γονοκύτταρα, και τα κύτταρα του Sertoli που σχηματίζονται από τα κύτταρα των δοκίδων. Από το μεσέγχυμα, που βρίσκεται μεταξύ των σπερματικών σωληναρίων, διαπλάσσονται τα κύτταρα του Leydig. Σχήμα.3 Φυλετική διαφοροποίηση. Η διαφοροποίηση των γονάδων σε ωοθήκες αρχίζει αρκετές ημέρες αργότερα. Παρατηρείται σχηματισμός νέων δοκίδων ( δευτερεύουσες γεννητικές δοκίδες) από το γεννητικό επιθήλιο, οι οποίες εισβάλλουν στο 7
κεφάλαιο μεσεγχυματικό πυρήνα. Το γεννητικό επιθήλιο δεν αποχωρίζεται από τις δευτερεύουσες δοκίδες ούτε ατροφεί, όπως στην περίπτωση των όρχεων. Τα αρχέγονα γεννητικά κύτταρα μετατρέπονται σε ωοκύτταρα, περιβάλλονται από επιθηλιακά κύτταρα και σχηματίζονται τα αρχέγονα ωοθυλάκια. Σχήμα.4 Κυριότερα συμβάντα κατά την οντογένεση των εμβρυϊκών γονάδων στο πρόβατο (Rhind κ.σ., 001). Η αδιαφοροποίητη γονάδα είναι διδύναμη και μπορεί να εξελιχθεί είτε σε όρχι είτε σε ωοθήκη. Η κατεύθυνση εξέλιξής της καθορίζεται από το γενετικό φύλο και μάλιστα από το γονίδιο SRY (Sex- determining Region of the Y-Chromosome), το οποίο εδράζεται στο χρωματόσωμα Υ. Η παρουσία του συνεπάγεται τη διαφοροποίηση της διδύναμης γονάδας σε όρχι και 8
Καθορισμός και διαφοροποίηση του φύλλου η απουσία του σε ωοθήκη (σχήμα.3). Το γονίδιο εκφράζεται μόνο στα αρσενικά, τα οποία φέρουν ένα χρωματόσωμα Υ ή και στα θηλυκά στα οποία τμήματα του SRY έχουν μετατεθεί στο χρωματόσωμα Χ. Τα αρσενικά με ανωμαλίες του SRY αναπτύσσουν ωοθήκες και θηλυκά φαινοτυπικά χαρακτηριστικά. Το SRY συνιστά ένα «μεταγραφικό» παράγοντα, ο οποίος προσκολλάται στο DNA και επάγει τη σύνθεση σημαντικών πρωτεϊνών για τη διαφοροποίηση του φύλου και την ομαλή αναπαραγωγική λειτουργία, όπως, π.χ., η αντιμυλλεριανή ορμόνη, το ένζυμο αρωματάση κ.ά. Η διαφοροποίηση των γονάδων σε όρχεις ή ωοθήκες καλείται γοναδικό φύλο. Όλη η παραπέρα πορεία της φυλετικής διαφοροποίησης (σωματικό φύλο) εξαρτάται από τη φύση των γονάδων. Σε περίπτωση αρσενικού γοναδικού φύλου παρατηρείται εξέλιξη των πόρων του Wolff και σχηματισμός των παραγώγων του, αλλά υποστροφή των πόρων του Mueller. Η εξέλιξη των πόρων του Wolff ρυθμίζεται από τα εμβρυϊκά ανδρογόνα και η υποστροφή των πόρων του Mueller από την αντιμυλλεριανή ορμόνη που παράγεται στα κύτταρα του Sertoli των εμβρυϊκών όρχεων. Στο θηλυκό εξελίσσονται οι πόροι του Mueller χωρίς καμιά ειδική επίδραση. Πίνακας.1 ιαφοροποίηση του γεννητικού συστήματος Αρσενικό Αδιαφοροποίητη μορφή Θηλυκό Όρχεις Καταβολή γονάδων Ωοθήκες Επιδιδυμίδα Σπερματικός πόρος Πόροι του Wolff Υπολείμματα Κυστεοειδής αδένας Ωαγωγοί, Μήτρα Υπολείμματα Πόροι του Mueller Τμήματα του κόλπου Προστάτης Βολβουρηθραίος αδένας Κλειτορίδα Τμήματα της ουρήθρας Ουρογεννητικός κόλπος Μικρά χείλη Τμήματα του πέους Μεγάλα χείλη Βάλανος, Όσχεο 9
κεφάλαιο Στον αδιαφοροποίητο ουρογεννητικό κόλπο διακρίνονται: το γεννητικό φύμα, οι γεννητικές πτυχές και τα γεννητικά ογκώματα Η διαφοροποίηση του ουρογεννητικού κόλπου στο αρσενικό εξαρτάται από την παρουσία ανδρογόνων, ενώ η έλλειψη ανδρογόνων συνεπάγεται τη διαφοροποίησή του όπως στο θηλυκό. ιαφορές μεταξύ του αρσενικού και του θηλυκού μετά την ήβη υπάρχουν επίσης στον τρόπο έκκρισης των υποφυσιακών γοναδοτροφινών και στη γενετήσια συμπεριφορά. Σχήμα.5 Επίδραση της τεστοστερόνης κατά την εμβρυϊκή ζωή στη διαφοροποίηση του τρόπου έκκρισης της ωχρινοποιητικής ορμόνης (Wood και Foster, 1998). Στην τρίτη στήλη φαίνεται η συγκέντρωση της LH στο αίμα γοναδοεκτομηθέντων αρνιών κατόπιν χορήγησης οιστραδιόλης. Η αύξηση των επιπέδων συγκέντρωσης της ορμόνης κατά την προηβική ηλικία αρχίζει νωρίτερα στα αρσενικά από ό,τι στα θηλυκά αρνιά. Η τέταρτη στήλη δείχνει την αντίδραση της LH αρσενικών και θηλυκών αρνιών στη χορήγηση οιστραδιόλης, σε ποσά ανάλογα εκείνων που παρατηρούνται κατά την ωοθυλακική φάση του κύκλου. Εκκριτική κορυφή της ορμόνης παρατηρείται μόνο στα φυσιολογικά θηλυκά ζώα. 30
Καθορισμός και διαφοροποίηση του φύλλου Στο πρόβατο, όπως και σε πολλά άλλα είδη ζώων, ο τρόπος έκκρισης της LH είναι φυλοδιαφοροποιημένος. Τα θηλυκά αντιδρούν στην επίδραση των οιστρογόνων με μια απότομη ύψωση της έκκρισης της LH, ενώ στα αρσενικά η αντίδραση αυτή φυσιολογικά δεν εμφανίζεται ούτε είναι δυνατόν να προκληθεί. Φυλοδιαφοροποιημένη φαίνεται ότι είναι και η τονική ή βασική έκκριση της ορμόνης. Ωστόσο, σε αντίθεση με το κυκλικό σύστημα έκκρισης, η τονική έκκριση είναι κοινή και για τα δύο φύλα. Η διαφορά έγκειται στη χρονική στιγμή αύξησης της τονικής έκκρισης της LH, η οποία είναι απαραίτητη για την έναρξη της ήβης. Eνώ στα αρσενικά η τονική έκκριση της LH αρχίζει στην ηλικία των 10 εβδομάδων περίπου, τα θηλυκά αρνιά παραμένουν στην ουσία υπογοναδοτροφικά έως την ηλικία των 5 περίπου εβδομάδων. Οι διαφορές μεταξύ των δύο φύλων στον τρόπο έκκρισης της LH προκαλούνται από τη δράση των ανδρογόνων σε ένα κρίσιμο στάδιο της εμβρυϊκής ζωής, όταν ο εγκέφαλος είναι ευαίσθητος στην οργανωτική δράση των γοναδικών στεροειδών ορμονών. Από αρκετές μελέτες προκύπτει, σαφώς, ότι η κρίσιμη αυτή περίοδος για τη διαφοροποίηση του κυκλικού συστήματος έκκρισης της LH είναι η περίοδος μεταξύ της 30 ης και 90 ης ημέρας της κυοφορίας (διάρκεια κυοφορίας στο πρόβατο 150 ημέρες). Από πρόσφατα πειράματα προκύπτει ακόμη ότι η αρρενοποίηση του τονικού κέντρου, που προξενεί την επίσπευση της ήβης των αρσενικών αρνιών, απαιτεί την προγεννητική έκθεση του εγκεφάλου για σχετικά μικρό χρονικό διάστημα στη δράση ανδρογόνων, ενώ, αντιθέτως, η αποθηλεοποίηση του κυκλικού κέντρου απαιτεί την έκθεση του εγκεφάλου σε χαμηλές συγκεντρώσεις οιστρογόνων για μεγάλο χρονικό διάστημα κατά την εμβρυϊκή ζωή. Τα οιστρογόνα αυτά παράγονται με αρωματοποίηση της τεστοστερόνης στον ίδιο τον εγκέφαλο (υπόθεση αρωματοποίησης). Η έκκριση της LH τελεί υπό τον έλεγχο του υποθαλάμου, μέσω παραγωγής και έκκρισης της GnRH. Οι νευρώνες παραγωγής της GnRH φαίνεται ότι δε διαφέρουν ούτε αριθμητικά ούτε μορφολογικά μεταξύ κριών και προβατινών. Προφανώς, η έκθεση του εγκεφάλου κατά την εμβρυϊκή ζωή στα ανδρογόνα επηρεάζει τον αριθμό και το είδος των προσαγωγών συνάψεων στους νευρώνες παραγωγής της GnRH. Υπάρχουν σαφείς ενδείξεις ότι κατά την προωθυλακιορρηκτική αιχμή της LH δραστηριοποιούνται νευρώνες κυρίως στην περιοχή του μεσοβασικού υποθαλάμου. 31