Hur vrida upp värmen vänder manliga skäggiga drakar till honor

australiska forskare kan ha räknat ut hur reptiler ändra kön under stress av extrema temperaturer.

om du är en reptilhållare är du utan tvekan bekant med fenomenet temperaturberoende sexbestämning., I huvudsak bestäms kön hos många reptiler-och till och med kön hos en mängd olika fiskar-av miljötemperaturer som upplevs under känsliga utvecklingsstadier snarare än av närvaron av en viss kombination av sexkromosomer. Temperaturberoende könsbestämning skiljer sig från däggdjur och fåglar, som är nästan uteslutande beroende av kromosomal könsbestämning. Men trots årtionden av forskning vet vi fortfarande inte exakt hur temperaturberoende könsskillnader uppstår., Men det verkar som om en grupp australiensiska forskare äntligen har räknat ut det: det handlar om RNA-redigering.

Australiensiska skäggiga drakar förlitar sig antingen på kromosomal eller temperaturberoende könsbestämning

kön i nästan alla däggdjur är beroende av könskromosomer. Mammalian sex är resultatet av deras XX / XY sexbestämningssystem, där män är heterogametiska (XY) kön. Men i många reptiler är deras kön resultatet av temperaturer som upplevs under embryonal utveckling: män är resultatet av exponering för vissa temperaturer, medan kvinnor är resultatet av andra temperaturer.,

men skäggiga drakar är beroende av både könskromosomer och miljötemperaturer som upplevs under embryonal utveckling för att bestämma kön. Vid normala temperaturer dikterar deras kromosomala smink vilket kön de är. Men vid höga temperaturer genomgår drakar med manliga kromosomer sexomvandling och utvecklas som honor. Hittills är drakar oddballs eftersom de är de enda reptiler som är kända för att genomgå sexomvandling vid höga temperaturer-andra reptiler är känsliga för kalla temperaturer (förutom ormar, som enbart är beroende av sexkromosomer).,

det finns åtta arter av skäggiga drakar, som alla förekommer uteslutande i Australien. En av dessa arter, den australiensiska centrala skäggiga draken, Pogona vitticeps, är ett särskilt populärt husdjur och djurparksprov eftersom det är hård och lätt att ta hand om., Dessutom är denna art en kraftfull modellorganism som ger forskare en tydligare förståelse för de molekylära händelser som är förknippade med temperaturberoende sexbestämning.

den skäggiga draken förlitar sig på ett ZZ / ZW sexkromosomsystem för att styra sexuell differentiering. I drakar är män det förfäderna homogametiska könet, som har två z-kromosomer, och kvinnor är heterogametiska, med ZW-könskromosomer. Detta är motsatt till mammalian XX / XY sexkromosomsystemet, där det är kvinnligt är förfädernas ”standard” kön.,

skäggiga drakar är ett unikt modellsystem eftersom höga temperaturer åsidosätter deras kromosomala sexbestämningssystem. När ägg inkuberas under 32 ° Celsius (89,6° Fahrenheit) dikterar deras könskromosomer deras kön, men för temperaturer över 32° Celsius utvecklas allt fler ägg till honor, oavsett deras kromosomala smink (ref). När temperaturen når 36 ° Celsius (96,8° Fahrenheit), 100% av genetiska män utvecklas till sex-omvänd (ZZf) Honor.

vidare, när en normal (ZZm) manlig drake är parad med en sex-omvänd ZZF drake, ger denna parning nödvändigtvis endast ZZ avkomma. Men avkommans kön som härrör från denna speciella parning bestäms enbart av inkubationstemperatur, vilket tyder på att någon form av permanent genetisk förändring har inträffat. Faktum är att enligt tidigare forskning är denna ärftliga genetiska förändring den fullständiga förlusten av W-kromosomen (ref).,

höga temperaturer utlöser överuttryck av stressgener och frisättning av stresshormoner

för att bättre förstå de molekylära mekanismer som styr utvecklingen av kön i skäggiga drakar, ett team av australiska forskare vid Garvan Institute of Medical Research i Sydney, University of Canberra och Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), undersökte och jämförde RNA som produceras i en mängd olika vävnader som de samlade från vuxna drakar.,

när forskarna jämförde sex-omvända ZZF kvinnliga drakar till normala (ZWf) kvinnor, fann de unika rna-uttrycksprofiler för 17 gener i sina hjärnvävnader. Mest uttalad var den dramatiska temperatur-utlöst överuttryck (327-faldigt) av miljöspänningsgenen, Pro-opiomelanokortin (POMC, uttalad ”pom-c”). POMC är 241 aminosyrarester långa. Det syntetiseras i hypofysen och är en föregångare till peptidhormonet adrenokortikotropin (ACTH), vilket utlöser frisättningen av stresshormoner i ryggradsdjur., Så drakar utsatta för varma temperaturer under embryonal utveckling blev stressade.

utöver detta dramatiska överuttryck av POMC fann forskarna också att sexomvandlade ZZF-drakar har kvinnligt liknande uttryck för manliga partiska gener, även om dessa djur visar några manliga liknande beteenden och morfologier.

det mest intressanta fyndet är att två över uttryckta gener, JARID2 och JMJD3, är medlemmar i Jumonji genfamiljen., Jumonji-proteiner är mest kända för sin roll både i utveckling och i cancer: de kontrollerar stamcellernas identitet, och de är nödvändiga för normal organutveckling och könsdifferentiering hos djur. Vid denna tidpunkt vet vi fortfarande inte mycket om de exakta handlingarna hos enskilda Jumonji-gener, men vi vet att däggdjursversionen av JARID2 interagerar med sry, en gen på däggdjurshromosomen som initierar utvecklingen av testiklar (ref). Vidare orsakar dysfunktion i denna gen manlig till kvinnlig sexomvandling hos möss.,

den dolda betydelsen av ”junk DNA”

forskarna fann att i vuxna drakar uttrycktes JARID2 och JMJD3 mer i ZZF-vävnader än i antingen ZWF av ZZM-vävnader. Inte bara var dessa två gener över uttryckta, men forskarna blev förvånade över att upptäcka att JARID2 och JMJD3 producerade ett unikt alternativt transkript i sexvända ZZF dragons-ett transkript som inte ses i vävnaderna hos normala ZWF och ZZm dragons. Varje gens alternativa RNA-transkript behöll en intron., Introner är sträckor av DNA som styr genuttryck mönster istället för kodning av proteiner, och dessa regioner skarvas ut (eller redigeras ut), av den mogna RNA meddelande. Dessa icke-kodande sträckor var länge kända som” junk DNA ” eftersom vi tills nyligen inte förstod deras väsentliga roller i genuttryck.

men vad var resultatet av dessa oredigerade introner? En noggrann undersökning av sekvensdata visade att JARID2 och JMJD3 var och en behöll en intron som innehöll en stoppkodon., Dessa för tidiga stoppkodon stoppar antingen produktionen av proteinet eller de orsakar mindre proteiner att konstrueras. Sådana förkortade proteiner fungerar inte normalt: deras funktionalitet är antingen reducerad, förändrad eller helt avskaffad.

vi vet att Jumonji-gener kontrollerar uttrycket av en gensvit, varav åtminstone några är involverade i könsbestämning., Så när Jumonji-gener förändras av miljöbelastning, är de nedströmsgener som de kontrollerar inte på eller av på lämpligt sätt, och därmed blir de också känsliga för miljöbelastning-höga temperaturer i det här fallet. Eftersom dessa nedströmsgener iscensätter utvecklingsprocesser som är involverade i sexbestämning, är miljöstress kopplad till sexbestämning genom dessa två Jumonji-gener i drakar.

forskarna undrade om alternativa jarid2-och JMJD3-transkript kan associeras med temperaturkänslig sexbestämning i andra reptiler?, Hur universell är denna molekylära mekanism bland reptiler?

för att svara på dessa frågor jämförde de sekvenserna av deras nyligen identifierade intron-retaining JARID2 och JMJD3-transkript till RNAs från alligatorer och sköldpaddor, som båda är mycket avlägsna släktingar till drakar, och båda visar temperaturberoende sexbestämning. Sköldpaddor, som har ett XX/XY-system, genomgår lågtemperaturmaskulinisering, medan alligatorer, som har ett ZZ/ZW-system, upplever lågtemperaturfemininisering.,

forskarna fann liknande intron-retaining JARID2 och JMJD3-transkript i sex-reverserade alligatorer och sköldpaddor, vilket gör dessa gener de mest övertygande kandidaterna för att vara den molekylära ”switch” som styr sexomvandlingar i reptiler.

kön (återföring) handlar om dosering

det är viktigt att påpeka att de intron-kvarhållande versionerna av dessa två gener är associerade med temperatur men inte med ett visst kön eftersom könsbestämning är mer subtil än detta., Forskarna föreslår att vissa reptillinjer, som alligatorer och drakar, utvecklades från kvinnliga heterogametiska sexbestämningssystem (ZZ/ZW) medan andra, såsom sköldpaddor, utvecklades från manliga heterogametiska system (XX/XY). Så intron-kvarhållande JARID2 / JMJD3-gener orsakar sexomvandlingar genom övergripande utveckling av det heterogametiska könet genom att minska den totala mängden vitala proteiner som tillverkas under känsliga utvecklingsstadier. Till exempel, i skäggiga drakar är män det homogametiska könet, så de får en dubbel dos av alla gener som ligger på Z-kromosomen., Förlust av uttryck för några av dessa gener på grund av miljöbelastning skulle resultera i en minskning eller förlust av proteinerna som de kodar, och denna mindre dos av nyckelproteiner kan orsaka att en genetisk man utvecklas som en kvinna.

eftersom denna forskning gjordes i vuxna drakar arbetar laget för närvarande med embryonala drakar för att identifiera när dessa temperaturkänsliga rna-redigeringsskillnader först visas., De tar också bort antingen JARID2 eller JMJD3-gener från dragon DNA för att se hur embryonisk utveckling påverkas och om denna genetiska förlust kan förhindra sexomvandling vid höga temperaturer.

eftersom ”intronretention” i dessa två Jumonji-gener dokumenterades i drakar, alligatorer och sköldpaddor, som är evolutionärt avlägsna reptillinjer (Figur A), föreslår forskarna att detta fenomen är en gammal, bevarad mekanism som styr reptiltemperaturberoende sexbestämning., Vidare, eftersom MILJÖSTRESSGENEN, POMC, är dramatiskt över uttryckt i könsomvandlade individer, ger dessa genetiska händelser ännu en övertygande koppling mellan miljöstress och könsbestämning i reptiler.

extrapolera utåt, detta innebär att den globala uppvärmningen utgör ett allvarligt hot mot den fortsatta förekomsten av drakar eftersom det kommer att förändra könsförhållandena för dessa arters populationer., Men nu när vi har en uppfattning om hur man omvänder reptilernas kön blir det möjligt att manipulera dessa djurs könsförhållanden för att hjälpa till att bevara dem för framtida generationer att njuta av.

Källa:

Ira W. Deveson, Clare E. Holleley, James Blackburn, Jennifer A. Marshall Gravar, John S. Mattick, Paul D. Vatten, och Arthur Georges (2017). Differentiell intronretention i Jumonji kromatinmodifieringsgener är inblandad i reptiltemperaturberoende sexbestämning, Science Advances, 3:e1700731, publicerad online på 14 juni 2017 före print | doi:10.1126/sciadv.,1700731

nämnde Också:

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 och Makoto Shinkai Tachibana (2013). Epigenetisk reglering av Mussex bestämning av Histondemetylas Jmjd1a, Science 341 (6150): 1106-1109 | doi: 10.1126/science.1239864

Clare E. Holleley, Denis O’Meally, Stephen D. agent Sarre, Jennifer A. Marshall Gravar, Tariq Ezaz, Kazumi Matsubara, Bhumika Azad, Xiuwen Zhang och Arthur Georges (2015)., Sexomvandling utlöser den snabba övergången från genetisk till temperaturberoende kön, Natur, 523:79-82 | doi:10.1038/nature14574

hur vrida upp värmen förvandlar manliga drakar till honor | @GrrlScientist