Comment augmenter la chaleur transforme les Dragons barbus mâles en femelles

des scientifiques australiens ont peut-être compris comment les reptiles changent de sexe sous le stress des températures extrêmes.

Si vous êtes un gardien de reptiles, vous connaissez sans aucun doute le phénomène de détermination du sexe dépendant de la température., Essentiellement, le sexe de nombreux reptiles-et même le sexe d’une variété de poissons-est déterminé par les températures environnementales ressenties pendant les stades sensibles du développement plutôt que par la présence d’une combinaison particulière de chromosomes sexuels. La détermination du sexe dépendante de la température diffère des mammifères et des oiseaux, qui dépendent presque exclusivement de la détermination du sexe chromosomique. Pourtant, malgré des décennies de recherche, nous ne savons toujours pas exactement comment les différences sexuelles dépendant de la température se produisent., Mais il semble qu’un groupe de scientifiques australiens l’ait finalement compris: il s’agit de l’édition de L’ARN.

Les dragons barbus australiens dépendent de la détermination du sexe chromosomique ou dépendante de la température

chez presque tous les mammifères, le sexe dépend des chromosomes sexuels. Le sexe des mammifères est le résultat de leur système de détermination du sexe XX/XY, où les mâles sont le sexe hétérogamétique (XY). Mais chez de nombreux reptiles, leur sexe est le résultat des températures ressenties pendant le développement embryonnaire: les mâles résultent de l’exposition à certaines températures, tandis que les femelles résultent d’autres températures.,

Mais les dragons barbus dépendent à la fois des chromosomes sexuels et des températures environnementales observées pendant le développement embryonnaire pour déterminer le sexe. À des températures normales, leur maquillage chromosomique dicte quel sexe ils sont. Mais à des températures élevées, les dragons avec des chromosomes mâles subissent une inversion sexuelle et se développent en tant que femelles. Jusqu’à présent, les dragons sont bizarres car ce sont les seuls reptiles connus pour subir une inversion sexuelle à des températures élevées-d’autres reptiles sont sensibles aux températures froides (sauf les serpents, qui dépendent uniquement des chromosomes sexuels).,

Il existe huit espèces de dragons barbus, qui se produisent exclusivement en Australie. L’une de ces espèces, le dragon barbu Central Australien, Pogona vitticeps, est un animal de compagnie et un spécimen de zoo particulièrement populaire car il est robuste et facile à entretenir., De plus, cette espèce est un organisme modèle puissant qui fournit aux scientifiques une compréhension plus claire des événements moléculaires associés à la détermination du sexe dépendant de la température.

le dragon barbu s’appuie sur un système de chromosomes sexuels ZZ / ZW pour guider la différenciation sexuelle. Chez les dragons, les mâles sont le sexe homogamétique ancestral, possédant deux chromosomes Z, et les femelles sont hétérogamétiques, avec des chromosomes sexuels ZW. Ceci est opposé au système de chromosomes sexuels XX/XY des mammifères, où être femelle est le sexe ancestral « par défaut ».,

Les dragons barbus sont un système modèle unique parce que les températures élevées remplacent leur système de détermination du sexe chromosomique. Lorsque les œufs sont incubés en dessous de 32 ° Celsius (89,6° Fahrenheit), leurs chromosomes sexuels dictent leur sexe, mais pour des températures supérieures à 32 ° Celsius, un nombre croissant d’œufs se transforment en femelles, quelle que soit leur composition chromosomique (ref). Lorsque les températures atteignent 36 ° Celsius (96,8 ° Fahrenheit), 100% des mâles génétiques se transforment en femelles à inversion sexuelle (ZZf).

de plus, lorsqu’un dragon mâle normal (ZZm) est accouplé avec un dragon ZZf inversé par sexe, cet appariement ne donne nécessairement que des descendants ZZ. Mais le sexe de la progéniture résultant de cet appariement particulier est déterminé uniquement par la température d’incubation, ce qui suggère qu’une sorte de changement génétique permanent s’est produit. En fait, selon des recherches antérieures, ce changement génétique héréditaire est la perte complète du chromosome W (ref).,

Les températures élevées déclenchent la surexpression des gènes du stress et la libération d’hormones du stress

pour mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent le développement du sexe chez les dragons barbus, une équipe de chercheurs australiens du Garvan Institute of Medical Research à Sydney, de L’Université de Canberra et du Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), a examiné et comparé les ARN produits dans une variété de tissus prélevés sur des dragons adultes.,

lorsque les chercheurs ont comparé les dragons femelles ZZF inversés par sexe aux femelles normales (ZWf), ils ont trouvé des profils d’expression D’ARN uniques pour 17 gènes dans leurs tissus cérébraux. Le plus prononcé a été la surexpression spectaculaire déclenchée par la température (327 fois) du gène du stress environnemental, la Pro-opiomélanocortine (POMC, prononcé « pom-c »). POMC est 241 résidus d’acides aminés de long. Il est synthétisé dans l’hypophyse et est un précurseur de l’hormone peptidique adrénocorticotropine (ACTH), qui déclenche la libération d’hormones de stress chez les vertébrés., Ainsi, les dragons exposés à des températures chaudes pendant le développement embryonnaire sont devenus stressés.

en plus de cette surexpression dramatique de POMC, les chercheurs ont également constaté que les dragons ZZF inversés par le sexe ont une expression féminine de gènes biaisés par les hommes, même si ces animaux montrent des comportements et des morphologies semblables à ceux des hommes.

la découverte la plus intéressante est que deux gènes surexprimés, JARID2 et JMJD3, sont membres de la famille des gènes Jumonji., Les protéines Jumonji sont surtout connues pour leur rôle à la fois dans le développement et dans le cancer: elles contrôlent l’identité des cellules souches et sont essentielles au développement normal des organes et à la différenciation sexuelle chez les animaux. À ce stade, nous ne savons toujours pas grand-chose sur les actions précises des gènes Jumonji individuels, mais nous savons que la version mammalienne de JARID2 interagit avec SRY, un gène sur le chromosome Y des mammifères qui initie le développement des testicules (ref). De plus, un dysfonctionnement de ce gène provoque une inversion sexuelle mâle-femelle chez la souris.,

l’importance cachée de « L’ADN indésirable »

Les chercheurs ont constaté que chez les dragons adultes, JARID2 et JMJD3 étaient exprimés plus fortement dans les tissus ZZf que dans les tissus ZWf des tissus ZZm. Non seulement ces deux gènes étaient surexprimés, mais les chercheurs ont été surpris de découvrir que JARID2 et JMJD3 ont produit une transcription alternative unique chez les dragons ZZF inversés par le sexe-une transcription qui n’est pas vue dans les tissus des dragons ZWf et ZZM normaux. La transcription alternative de L’ARN de chaque gène a conservé un intron., Les Introns sont des étendues D’ADN qui guident les modèles d’expression génique au lieu de coder des protéines, et ces régions sont épissées (ou éditées), du message mature D’ARN. Ces étirements non codants ont longtemps été connus sous le nom d ‘ »ADN indésirable » car, jusqu’à récemment, nous ne comprenions pas leurs rôles essentiels dans l’expression des gènes.

Mais quel a été le résultat de ces introns non édités? Un examen attentif des données de séquence a montré que JARID2 et JMJD3 conservaient chacun un intron contenant un codon stop., Ces codons d’arrêt prématurés arrêtent la production de la protéine ou provoquent la construction de protéines plus petites. Ces protéines abrégées ne fonctionnent pas normalement: leur fonctionnalité est réduite, altérée ou complètement abolie.

nous savons que les gènes Jumonji contrôlent l’expression d’une suite de gènes, dont au moins certains sont impliqués dans la détermination du sexe., Ainsi, lorsque les gènes Jumonji sont altérés par le stress environnemental, les gènes en aval qu’ils contrôlent ne sont pas activés ou désactivés de manière appropriée, et donc, ils sont également rendus sensibles au stress environnemental-des températures élevées dans ce cas. Étant donné que ces gènes en aval orchestrent les processus de développement impliqués dans la détermination du sexe, le stress environnemental est lié à la détermination du sexe à travers ces deux gènes Jumonji chez les dragons.

Les chercheurs se sont demandé si d’autres transcriptions JARID2 et JMJD3 pouvaient être associées à la détermination du sexe sensible à la température chez d’autres reptiles?, Dans quelle mesure ce mécanisme moléculaire est-il universel chez les reptiles?

pour répondre à ces questions, ils ont comparé les séquences de leurs transcriptions jarid2 et JMJD3 nouvellement identifiées à des ARN d’alligators et de tortues, qui sont tous deux des parents très éloignés des dragons, et qui montrent tous deux une détermination du sexe dépendante de la température. Les tortues, qui ont un système XX/XY, subissent une masculinisation à basse température, tandis que les alligators, qui ont un système ZZ / ZW, subissent une fémininisation à basse température.,

Les chercheurs ont trouvé des transcriptions similaires de jarid2 et de JMJD3 à rétention intron chez les alligators et les tortues à inversion sexuelle, ce qui fait de ces gènes les candidats les plus convaincants pour être le « commutateur » moléculaire qui contrôle les inversions sexuelles chez les reptiles.

Le Sexe (inversion) est une question de dosage

Il est important de souligner que les versions de rétention intron de ces deux gènes sont associées à la température mais pas à un sexe particulier car la détermination du sexe est plus subtile que cela., Les chercheurs proposent que certaines lignées de reptiles, comme les alligators et les dragons, ont évolué à partir de systèmes de détermination du sexe hétérogamétique femelle (ZZ/ZW) tandis que d’autres, comme les tortues, ont évolué à partir de systèmes hétérogamétiques mâles (XX/XY). Ainsi, les gènes jarid2/JMJD3 qui retiennent les introns provoquent des inversions sexuelles en dominant le développement du sexe hétérogamétique en réduisant la quantité globale de protéines vitales fabriquées pendant les stades sensibles du développement. Par exemple, chez les dragons barbus, les mâles sont le sexe homogamétique, ils reçoivent donc une double dose de tous les gènes situés sur le chromosome Z., La perte d’expression de certains de ces gènes dus au stress environnemental entraînerait une diminution ou une perte des protéines qu’ils codent, et cette petite dose de protéines clés pourrait entraîner un mâle génétique à développer en tant que femme.

puisque cette recherche a été effectuée chez des dragons adultes, l’équipe travaille actuellement avec des dragons embryonnaires pour identifier le moment où ces différences d’édition D’ARN sensibles à la température apparaissent pour la première fois., Ils retirent également les gènes JARID2 ou JMJD3 de l’ADN du dragon pour voir comment le développement embryonnaire est affecté et si cette perte génétique peut empêcher l’inversion sexuelle à des températures élevées.

voyant que la « rétention intron » dans ces deux gènes Jumonji a été documentée chez les dragons, les alligators et les tortues, qui sont des lignées reptiliennes évolutivement éloignées (Figure A), les chercheurs suggèrent que ce phénomène est un ancien mécanisme conservé contrôlant la détermination du sexe reptilien dépendant de la température., En outre, parce que le gène du stress environnemental, POMC, est dramatiquement surexprimé chez les individus inversés par le sexe, ces événements génétiques fournissent un autre lien convaincant entre le stress environnemental et la détermination du sexe chez les reptiles.

en extrapolant vers l’extérieur, cela signifie que le réchauffement climatique constitue une menace sérieuse pour la survie des dragons car il modifiera les rapports sexuels des populations de ces espèces., Mais maintenant que nous avons une idée de la façon d’inverser le sexe des reptiles, il deviendra possible de manipuler les rapports sexuels de ces animaux pour aider à les conserver pour les générations futures.

Source:

Ira W. Deveson, Clare E. Holleley, James Blackburn, Jennifer A. Marshall Tombes, John S. Mattick, Paul D. les Eaux, et Arthur Georges (2017). La rétention différentielle des introns dans les gènes modificateurs de la chromatine de Jumonji est impliquée dans la détermination du sexe dépendant de la température des reptiles, Science Advances, 3:e1700731, publié en ligne le 14 juin 2017 avant impression | doi:10.1126/sciadv.,1700731

également mentionné:

Shunsuke Kuroki, Shogo Matoba, Mika Akiyoshi, Yasuko Matsumura, Hitoshi Miyachi, Nathan Mise, Kuniya Abe, Atsuo Ogura, Dagmar Wilhelm, Peter Koopman, Masami Nozaki, Yoshiakira Kanai, Yoichi Shinkai et Makoto Tachibana (2013). Régulation épigénétique de la détermination du Sexe de la souris par L’Histone déméthylase Jmjd1a, Science 341 (6150): 1106-1109 | DOI: 10.1126/science.1239864

de Clare E. Holleley, Denis O »Meally, Stephen D. Sarre, Jennifer A. Marshall Tombes, Tariq Ezaz, Kazumi Matsubara, Bhumika Azad, Xiuwen Zhang et Arthur Georges (2015)., L’inversion du sexe déclenche la transition rapide du sexe génétique au sexe dépendant de la température, Nature, 523: 79-82 / doi: 10.1038 / nature14574

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