Gli scienziati australiani potrebbero aver capito come i rettili cambiano sesso sotto lo stress di temperature estreme.
Un drago barbuto australiano (specie Pogona). (Credit: Toni Segers / CC BY-SA 4.0)
Toni Segers tramite una licenza Creative Commons
Se sei un custode rettile, siete senza dubbio familiarità con il fenomeno della determinazione del sesso temperatura-dipendente., Essenzialmente, il sesso di molti rettili-e anche il sesso di una varietà di pesci-è determinato dalle temperature ambientali sperimentate durante le fasi sensibili dello sviluppo piuttosto che dalla presenza di una particolare combinazione di cromosomi sessuali. La determinazione del sesso dipendente dalla temperatura differisce dai mammiferi e dagli uccelli, che si basano quasi esclusivamente sulla determinazione del sesso cromosomico. Ancora, nonostante decenni di ricerca, ancora non sappiamo esattamente come temperatura-dipendente sesso differenze avvengono., Ma sembra che un gruppo di scienziati australiani hanno finalmente capito: è tutta una questione di editing di RNA.
I draghi barbuti australiani si basano sulla determinazione del sesso cromosomico o dipendente dalla temperatura
Il sesso in quasi tutti i mammiferi dipende dai cromosomi sessuali. Il sesso dei mammiferi è il risultato del loro sistema di determinazione del sesso XX/XY, in cui i maschi sono il sesso eterogametico (XY). Ma in molti rettili, il loro sesso è il risultato di temperature sperimentate durante lo sviluppo embrionale: i maschi derivano dall’esposizione ad alcune temperature, mentre le femmine derivano da altre temperature.,
Ma i draghi barbuti si affidano sia ai cromosomi sessuali che alle temperature ambientali sperimentate durante lo sviluppo embrionale per determinare il sesso. A temperature normali, il loro trucco cromosomico determina quale sesso sono. Ma a temperature elevate, i draghi con cromosomi maschili subiscono un’inversione sessuale e si sviluppano come femmine. Finora, i draghi sono strani perché sono gli unici rettili noti per subire l’inversione del sesso ad alte temperature other altri rettili sono sensibili alle temperature fredde (tranne i serpenti, che si basano esclusivamente sui cromosomi sessuali).,
Un drago barbuto nello zoo di Hunter Valley, Australia. (Credit: Marc Dalmulder / Creative Commons)
Marc Dalmulder tramite una licenza Creative Commons
Ci sono otto specie di draghi barbuti, che si verificano esclusivamente in Australia. Una di queste specie, il drago barbuto centrale australiano, Pogona vitticeps, è un animale domestico e uno zoo particolarmente popolare perché è resistente e facile da curare., Inoltre, questa specie è un potente organismo modello che fornisce agli scienziati una comprensione più chiara degli eventi molecolari associati alla determinazione del sesso dipendente dalla temperatura.
Il drago barbuto si basa su un sistema cromosomico sessuale Z / ZW per guidare la differenziazione sessuale. Nei draghi, i maschi sono il sesso omogametico ancestrale, in possesso di due cromosomi Z, e le femmine sono eterogametiche, con cromosomi sessuali ZW. Questo è opposto al sistema cromosomico sessuale XX/XY dei mammiferi, dove essere femmina è il sesso ancestrale “predefinito”.,
I draghi barbuti sono un sistema modello unico perché le alte temperature superano il loro sistema di determinazione del sesso cromosomico. Quando le uova vengono incubate al di sotto di 32° Celsius (89,6° Fahrenheit), i loro cromosomi sessuali dettano il loro sesso, ma per temperature superiori a 32° Celsius, un numero crescente di uova si sviluppa in femmine, indipendentemente dalla loro composizione cromosomica (ref). Quando le temperature raggiungono i 36 ° Celsius( 96,8 ° Fahrenheit), il 100% dei maschi genetici si sviluppa in femmine invertite dal sesso (sexf).
D., Le alte temperature superano il sistema di determinazione del sesso cromosomico nei draghi barbuti. Ancestrale… stato di determinazione genetica del sesso (panel / ZW; pannello di sinistra), con inversione del sesso ad alte temperature (pannello di destra). L’accoppiamento di individui omogametici sesso-invertiti e wild-type causa la transizione alla determinazione del sesso dipendente dalla temperatura (TSD). A destra: emergono quattro pattern TSD: IR femmina-specifico alle alte temperature, IR maschio-specifico alle basse temperature, IR femmina-specifico alle basse temperature e IR maschio-specifico alle alte temperature.
doi: 10.1126 / sciadv.,1700731
Inoltre, quando un drago maschio normale (Zm) è accoppiato con un drago reversedf invertito dal sesso, questo accoppiamento produce necessariamente solo prole Z. Ma il sesso della prole risultante da questo particolare accoppiamento è determinato esclusivamente dalla temperatura di incubazione, suggerendo che si è verificata una sorta di cambiamento genetico permanente. Infatti, secondo precedenti ricerche, questo cambiamento genetico ereditario è la completa perdita del cromosoma W (ref).,Per comprendere meglio i meccanismi molecolari che controllano lo sviluppo del sesso nei draghi barbuti, un team di ricercatori australiani del Garvan Institute of Medical Research di Sydney, dell’Università di Canberra e del Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), ha esaminato e confrontato gli RNA prodotti in una varietà di tessuti raccolti da draghi adulti.,
Quando i ricercatori hanno confrontato i draghi femminili sexf invertiti dal sesso con femmine normali (ZWf), hanno trovato profili di espressione di RNA unici per 17 geni nei loro tessuti cerebrali. La più pronunciata è stata la drammatica sovraespressione innescata dalla temperatura (327 volte) del gene dello stress ambientale, Pro-opiomelanocortina (POMC, pronunciato “pom-c”). POMC è lungo 241 residui di aminoacidi. È sintetizzato nell’ipofisi ed è un precursore dell’ormone peptidico adrenocorticotropina (ACTH), che innesca il rilascio di ormoni dello stress nei vertebrati., Così i draghi esposti a temperature calde durante lo sviluppo embrionale si sono stressati.
Oltre a questa drammatica sovraespressione di POMC, i ricercatori hanno anche scoperto che i draghi sexf invertiti dal sesso hanno un’espressione femminile di geni prevenuti dal maschio, anche se questi animali mostrano alcuni comportamenti e morfologie simili al maschio.
La scoperta più interessante è che due geni sovraespressi, JARID2 e JMJD3, sono membri della famiglia di geni Jumonji., Le proteine Jumonji sono meglio conosciute per il loro ruolo sia nello sviluppo che nel cancro: controllano l’identità delle cellule staminali e sono essenziali per il normale sviluppo degli organi e la differenziazione sessuale negli animali. A questo punto, non sappiamo ancora molto sulle azioni precise dei singoli geni Jumonji, ma sappiamo che la versione dei mammiferi di JARID2 interagisce con SRY, un gene sul cromosoma Y dei mammiferi che avvia lo sviluppo dei testicoli (ref). Inoltre, la disfunzione in questo gene causa l’inversione del sesso maschile-femminile nei topi.,
L’importanza nascosta del “DNA spazzatura”
I ricercatori hanno scoperto che nei draghi adulti, JARID2 e JMJD3 erano espressi più altamente nei tessuti Zf che in entrambi i tessuti ZWf di tissuesm. Non solo questi due geni erano troppo espressi, ma i ricercatori sono stati sorpresi di scoprire che JARID2 e JMJD3 hanno prodotto una trascrizione alternativa unica nei draghi sexf invertiti dal sesso-una trascrizione che non si vede nei tessuti dei normali draghi ZWf e dragonsm. La trascrizione alternativa dell’RNA di ogni gene ha mantenuto un introne., Gli introni sono tratti di DNA che guidano i modelli di espressione genica invece di codificare le proteine, e queste regioni sono impiombate (o modificate), del messaggio di RNA maturo. Questi tratti non codificanti erano noti da tempo come” DNA spazzatura ” perché, fino a poco tempo fa, non capivamo i loro ruoli essenziali nell’espressione genica.
Ma qual è stato il risultato di questi introni inediti? Un attento esame dei dati di sequenza ha mostrato che JARID2 e JMJD3 mantenevano ciascuno un introne che conteneva un codone di stop., Questi codoni di arresto prematuri arrestano la produzione della proteina o causano la costruzione di proteine più piccole. Tali proteine abbreviate non funzionano normalmente: la loro funzionalità è ridotta, alterata o completamente abolita.
Sappiamo che i geni Jumonji controllano l’espressione di una serie di geni, almeno alcuni dei quali sono coinvolti nella determinazione del sesso., Quindi, quando i geni Jumonji sono alterati dallo stress ambientale, i geni a valle che controllano non vengono attivati o disattivati in modo appropriato, e quindi anche loro sono resi sensibili allo stress ambientale-alte temperature in questo caso. Poiché questi geni a valle orchestrano i processi di sviluppo coinvolti nella determinazione del sesso, lo stress ambientale è collegato alla determinazione del sesso attraverso questi due geni Jumonji nei draghi.
I ricercatori si sono chiesti se le trascrizioni alternative JARID2 e JMJD3 possano essere associate alla determinazione del sesso sensibile alla temperatura in altri rettili?, Quanto è universale questo meccanismo molecolare tra i rettili?
Per rispondere a queste domande, hanno confrontato le sequenze dei loro trascritti JARID2 e JMJD3 appena identificati che trattengono l’introne con gli RNA di alligatori e tartarughe, entrambi parenti molto lontani dei draghi, ed entrambi mostrano la determinazione del sesso dipendente dalla temperatura. Le tartarughe, che hanno un sistema XX/XY, subiscono una mascolinizzazione a bassa temperatura, mentre gli alligatori, che hanno un sistema XX/ZW, sperimentano una femmininizzazione a bassa temperatura.,
Tartaruga (pannelli superiori) e alligatore (pannelli inferiori). A sinistra: Stati GSD ancestrali (Z / ZW o XX / XY),… con inversione del sesso a basse temperature (blu). L’accoppiamento di individui omogametici sesso-invertiti e wild-type causa la transizione a TSD con JARID2 / JMJD3 IR mantenuto come differenziazione di controllo del segnale normativo. A destra: modelli TSD osservati in tartarughe e alligatori: IR maschio-specifico a basse temperature, IR femmina-specifico a basse temperature.
doi: 10.1126 / sciadv.,1700731
I ricercatori hanno trovato trascrizioni JARID2 e JMJD3 simili a introni in alligatori e tartarughe invertite dal sesso, il che rende questi geni i candidati più convincenti per essere lo “switch” molecolare che controlla le inversioni sessuali nei rettili.
Il sesso (inversione) riguarda il dosaggio
È importante sottolineare che le versioni che mantengono l’introne di questi due geni sono associate alla temperatura ma non a un particolare sesso perché la determinazione del sesso è più sottile di questa., I ricercatori propongono che alcuni lignaggi di rettili, come alligatori e draghi, si siano evoluti da sistemi eterogametici femminili di determinazione del sesso (XX/ZW) mentre altri, come le tartarughe, si sono evoluti da sistemi eterogametici maschili (XX/XY). Quindi i geni JARID2/JMJD3 che trattengono l’introne causano inversioni sessuali sovrascrivendo lo sviluppo del sesso eterogametico riducendo la quantità complessiva di proteine vitali prodotte durante le fasi sensibili dello sviluppo. Ad esempio, nei draghi barbuti, i maschi sono il sesso omogametico, quindi ottengono una doppia dose di tutti i geni situati sul cromosoma Z., La perdita di espressione di alcuni di questi geni a causa di stress ambientale si tradurrebbe in una riduzione o perdita delle proteine che codificano, e questo dosaggio più piccolo di proteine chiave potrebbe causare un maschio genetico per sviluppare come una femmina.
Poiché questa ricerca è stata fatta su draghi adulti, il team sta attualmente lavorando con draghi embrionali per identificare quando appaiono per la prima volta queste differenze di modifica dell’RNA sensibili alla temperatura., Inoltre stanno rimuovendo i geni JARID2 o JMJD3 dal DNA del drago per vedere come lo sviluppo embrionale è influenzato e se questa perdita genetica può impedire l’inversione del sesso alle alte temperature.
Vedendo che la “ritenzione di introni” in questi due geni Jumonji è stata documentata in draghi, alligatori e tartarughe, che sono lignaggi rettiliani evolutivamente distanti (Figura A), i ricercatori suggeriscono che questo fenomeno è un antico meccanismo conservato che controlla la determinazione del sesso dipendente dalla temperatura dei rettili., Inoltre, poiché il gene dello stress ambientale, POMC, è drammaticamente sovra-espresso in individui invertiti dal sesso, questi eventi genetici forniscono un altro legame convincente tra lo stress ambientale e la determinazione del sesso nei rettili.
Estrapolando verso l’esterno, ciò significa che il riscaldamento globale rappresenta una seria minaccia per la continua esistenza di draghi perché altererà i rapporti sessuali delle popolazioni di queste specie., Ma ora che abbiamo un’idea di come invertire il sesso dei rettili, diventerà possibile manipolare i rapporti sessuali di questi animali per aiutarli a conservarli per le generazioni future.
Fonte:
Ira W. Deveson, Clare E. Holleley, James Blackburn, Jennifer A. Marshall Graves, John S. Mattick, Paul D. Waters e Arthur Georges (2017). La ritenzione differenziale dell’introne nei geni del modificatore della cromatina di Jumonji è implicata nella determinazione del sesso dipendente dalla temperatura del rettile, Science Advances, 3:e1700731, pubblicato online su 14 June 2017 ahead of print | doi: 10.1126/sciadv.,1700731
Menzionato anche:
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 e Makoto Tachibana (2013). Regolazione epigenetica della determinazione del sesso del topo da parte dell’istone demetilasi Jmjd1a, Scienza 341(6150):1106-1109 | doi:10.1126/scienza.Nel 2015 è stato pubblicato il primo album in studio del gruppo musicale statunitense The Rock, pubblicato nel 2015., L’inversione del sesso innesca la rapida transizione dal sesso genetico a quello dipendente dalla temperatura, Nature, 523: 79-82 / doi:10.1038 / nature14574
Come alzare il calore trasforma i draghi maschi in femmine / @ GrrlScientist