Hoe de hitte de mannelijke baardagamen verandert in vrouwtjes

Australische wetenschappers hebben misschien ontdekt hoe reptielen van geslacht veranderen onder de stress van extreme temperaturen.

als je een reptielenhouder bent, ben je ongetwijfeld bekend met het fenomeen van temperatuurafhankelijke geslachtsbepaling., In wezen wordt het geslacht van vele reptielen-en zelfs het geslacht van een verscheidenheid aan vissen-bepaald door omgevingstemperaturen die worden ervaren tijdens gevoelige stadia van ontwikkeling in plaats van door de aanwezigheid van een bepaalde combinatie van geslachtschromosomen. Temperatuurafhankelijke geslachtsbepaling verschilt van zoogdieren en vogels, die bijna uitsluitend afhankelijk zijn van chromosomale geslachtsbepaling. Ondanks tientallen jaren onderzoek weten we nog steeds niet precies hoe temperatuurafhankelijke geslachtsverschillen ontstaan., Maar het lijkt erop dat een groep Australische wetenschappers er eindelijk achter is gekomen: het gaat allemaal om het bewerken van RNA.Australische baardagamen vertrouwen op chromosomale of temperatuurafhankelijke geslachtsbepaling

geslacht in bijna alle zoogdieren is afhankelijk van geslachtschromosomen. Het geslacht van zoogdieren is het resultaat van hun XX/XY geslachtsbepaling, waarbij mannetjes heterogametisch (XY) geslacht zijn. Maar bij veel reptielen is hun geslacht het resultaat van temperaturen die worden ervaren tijdens embryonale ontwikkeling: mannetjes zijn het gevolg van blootstelling aan bepaalde temperaturen, terwijl vrouwtjes het gevolg zijn van andere temperaturen.,

maar baardagamen vertrouwen op zowel geslachtschromosomen als omgevingstemperaturen die tijdens de embryonale ontwikkeling worden ervaren om het geslacht te bepalen. Bij normale temperaturen bepaalt hun chromosomale samenstelling welk geslacht ze zijn. Maar bij hoge temperaturen ondergaan draken met mannelijke chromosomen geslachtsomkering en ontwikkelen zich als vrouwtjes. Tot nu toe zijn draken eigenaardig omdat ze de enige reptielen zijn waarvan bekend is dat ze geslachtsomkering ondergaan bij hoge temperaturen — andere reptielen zijn gevoelig voor koude temperaturen (behalve slangen, die uitsluitend afhankelijk zijn van geslachtschromosomen).,

Er zijn acht soorten baardagamen, die allemaal uitsluitend in Australië voorkomen. Een van deze soorten, De Australische centrale baarddraak, Pogona vitticeps, is een bijzonder populair huisdier en Dierentuin exemplaar omdat het winterhard en gemakkelijk te verzorgen is., Bovendien, is deze species een krachtig modelorganisme dat wetenschappers van een duidelijker begrip van de moleculaire gebeurtenissen verstrekt verbonden met temperatuur-afhankelijke geslachtsbepaling.

De baardagaal vertrouwt op een ZZ/ZW geslachtschromosoomsysteem om de seksuele differentiatie te begeleiden. Bij draken zijn mannetjes het voorouderlijke homogametische geslacht, met twee z-chromosomen, en vrouwtjes zijn heterogametisch, met ZW – chromosomen. Dit is tegengesteld aan het zoogdier XX/XY geslachtschromosoomsysteem, waar het vrouwelijk zijn het voorouderlijke “standaard” geslacht is.,

baardagamen zijn een uniek modelsysteem omdat hoge temperaturen hun chromosomale geslachtsbepalingssysteem overschrijven. Wanneer eieren worden uitgebroed onder 32° Celsius (89.6° Fahrenheit), bepalen hun geslachtschromosomen hun geslacht, maar bij temperaturen boven 32° Celsius, ontwikkelen steeds meer eieren zich tot vrouwtjes, ongeacht hun chromosomale samenstelling (ref). Wanneer de temperaturen 36° Celsius (96.8° Fahrenheit) bereiken, ontwikkelen 100% van genetische mannetjes zich tot geslacht-omgekeerde (ZZf) wijfjes.

wanneer een normale (ZZm) mannelijke draak wordt gedekt met een ZZF-draak, levert deze koppeling noodzakelijkerwijs alleen ZZ-nakomelingen op. Maar het geslacht van de nakomelingen als gevolg van deze specifieke koppeling wordt uitsluitend bepaald door incubatietemperatuur, wat suggereert dat er een soort van permanente genetische verandering heeft plaatsgevonden. In feite, volgens eerder onderzoek, is deze erfelijke genetische verandering het volledige verlies van het W chromosoom (ref).,

Hoge temperaturen trekker over-expressie van stress genen en het vrijkomen van stresshormonen

Om een beter inzicht in de moleculaire mechanismen die de controle ontwikkeling van sex in baardagamen, een team van Australische onderzoekers van het Garvan Institute of Medical Research in Sydney, de Universiteit van Canberra en de Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), onderzocht en vergeleken Rna ‘ s die zijn geproduceerd in een verscheidenheid van weefsels die ze verzameld van volwassen draken.,

toen de onderzoekers de ZZF vrouwelijke draken vergeleken met normale vrouwen (ZWf), vonden ze unieke RNA-expressieprofielen voor 17 genen in hun hersenweefsel. Het meest uitgesproken was de dramatische door temperatuur veroorzaakte overexpressie (327-voudig) van het omgevingsstressgen, Pro-Opiomelanocortine (POMC, uitgesproken als “pom-c”). POMC is 241 aminozuurresiduen lang. Het wordt samengesteld in slijmachtig en is een voorloper aan peptide hormoon adrenocorticotropin (ACTH), die de versie van spanningshormonen in gewervelde dieren teweegbrengt., Dus draken blootgesteld aan warme temperaturen tijdens embryonale ontwikkeling werden gestrest.

naast deze dramatische overexpressie van POMC, vonden de onderzoekers ook dat ZZF-draken een vrouwelijke expressie hebben van mannelijke vooringenomen genen, ook al vertonen deze dieren wel een mannelijk gedrag en morfologie.

de meest interessante bevinding is dat twee overexpressiegenen, JARID2 en JMJD3, lid zijn van de Jumonji-genfamilie., Jumonji-eiwitten staan vooral bekend om hun rol in de ontwikkeling en bij kanker: ze controleren de identiteit van stamcellen, en ze zijn essentieel voor de normale orgaanontwikkeling en geslachtsdifferentiatie bij dieren. Op dit moment weten we nog niet veel over de precieze werking van individuele Jumonji-genen, maar we weten wel dat de zoogdierversie van JARID2 interageert met SRY, een gen op het zoogdierchromosoom Y dat de ontwikkeling van testes initieert (ref). Verder, dysfunctie in dit gen veroorzaakt man-aan-Vrouw Geslacht omkering in muizen.,

Het verborgen belang van “junk DNA”

de onderzoekers vonden dat bij volwassen draken JARID2 en JMJD3 sterker tot uiting kwamen in ZZf-weefsels dan in beide ZWf-weefsels van ZZm. Niet alleen werden deze twee genen over-uitgedrukt, maar de onderzoekers waren verrast om te ontdekken dat JARID2 en JMJD3 produceerden een unieke alternatieve transcript in seks-omgekeerde ZZF draken-een transcript dat niet wordt gezien in de weefsels van normale ZWf en ZZm draken. Het alternatieve RNA-transcript van elk gen behield één intron., Introns zijn strekken van DNA die de patronen van de genuitdrukking in plaats van het coderen van proteã NEN begeleiden, en deze gebieden worden verbonden (of uitgedeeld), van de rijpe boodschap van RNA. Deze niet-codeert stukken stonden lang bekend als “junk DNA” omdat we tot voor kort hun essentiële rollen in genexpressie niet begrepen.

maar wat was het resultaat van deze onbewerkte introns? Een zorgvuldig onderzoek van sequentiegegevens toonde aan dat JARID2 en JMJD3 elk een intron behielden dat een stopcodon bevatte., Deze voorbarige eindcodon of stoppen productie van de proteã ne of zij veroorzaken kleinere proteã nen worden geconstrueerd. Dergelijke afgekorte eiwitten werken niet normaal: hun functionaliteit is ofwel verminderd, veranderd, of volledig afgeschaft.

we weten dat Jumonji-genen de expressie van een reeks genen controleren, waarvan er tenminste een aantal betrokken zijn bij geslachtsbepaling., Wanneer Jumonji-genen worden veranderd door omgevingsstress, worden de downstream-genen die ze beheersen niet op de juiste manier aan of uit gezet, en dus worden ook zij gevoelig gemaakt voor omgevingsstress-hoge temperaturen in dit geval. Aangezien deze downstream genen ontwikkelingsprocessen orkestreren die betrokken zijn bij geslachtsbepaling, wordt omgevingsstress gekoppeld aan geslachtsbepaling via deze twee Jumonji-genen in draken.de onderzoekers vroegen zich af of alternatieve JARID2-en JMJD3-transcripten geassocieerd kunnen worden met temperatuurgevoelige geslachtsbepaling bij andere reptielen?, Hoe universeel is dit moleculaire mechanisme onder reptielen?

om deze vragen te beantwoorden, vergeleken ze de sequenties van hun nieuw geïdentificeerde intron-houdende JARID2 en JMJD3 transcripten met RNAs van alligators en schildpadden, die beide zeer verre verwanten zijn van draken, en die beide temperatuur-afhankelijke geslachtsbepaling vertonen. Schildpadden, die een XX/XY systeem hebben, ondergaan een lage temperatuur masculinisatie, terwijl alligators, die een ZZ/ZW systeem hebben, een lage temperatuur feminisatie ervaren.,

de onderzoekers vonden vergelijkbare intron-houdende JARID2-en JMJD3-transcripten in geslachtsreversed alligators en schildpadden, waardoor deze genen de meest overtuigende kandidaten zijn om de moleculaire “schakelaar” te zijn die geslachtsreversals bij reptielen controleert.

geslacht (omkering) draait allemaal om dosering

Het is belangrijk erop te wijzen dat de intron-behoudende versies van deze twee genen geassocieerd zijn met temperatuur maar niet met een bepaald geslacht omdat geslachtsbepaling subtieler is dan dit., De onderzoekers stellen voor dat sommige reptiellijnen, zoals alligators en draken, geëvolueerd zijn uit vrouwelijke heterogametische geslachtsbepaling systemen (ZZ/ZW), terwijl andere, zoals schildpadden, geëvolueerd zijn uit mannelijke heterogametische systemen (XX/XY). Dus intron-behoudende JARID2 / JMJD3 genen veroorzaken geslachtsomkeringen door het overheersen van de ontwikkeling van het heterogametische geslacht door het verminderen van de totale hoeveelheid vitale eiwitten geproduceerd tijdens gevoelige stadia van ontwikkeling. Bijvoorbeeld, bij baardagamen zijn mannetjes het homogametische geslacht, dus ze krijgen een dubbele dosis van alle genen op het Z-chromosoom., Verlies van expressie van sommige van deze genen als gevolg van omgevingsstress zou resulteren in een vermindering of verlies van de eiwitten die ze coderen, en deze kleinere dosering van belangrijke eiwitten kan ervoor zorgen dat een genetische man zich ontwikkelt als een vrouw.

aangezien dit onderzoek werd gedaan bij volwassen draken, werkt het team momenteel samen met embryonale draken om te bepalen wanneer deze temperatuurgevoelige RNA-bewerkingsverschillen voor het eerst verschijnen., Zij verwijderen ook JARID2 of jmjd3 genen van dragon DNA om te zien hoe embryonale ontwikkeling wordt beà nvloed en of dit genetisch verlies geslacht omkering bij hoge temperaturen kan verhinderen.aangezien “intron retentie” in deze twee Jumonji genen werd gedocumenteerd in draken, alligators en schildpadden, die evolutionair verre reptielenlijnen zijn (figuur A), suggereren de onderzoekers dat dit fenomeen een oud, behouden mechanisme is dat reptielentemperatuur-afhankelijke geslachtsbepaling beheerst., Verder, omdat het milieu stress gen, POMC, is dramatisch over-uitgedrukt in geslacht-omgekeerde individuen, deze genetische gebeurtenissen bieden nog een andere dwingende link tussen milieu stress en geslacht bepaling in reptielen.dit extrapoleren naar buiten betekent dat de opwarming van de aarde een ernstige bedreiging vormt voor het voortbestaan van draken omdat het de geslachtsverhoudingen van de populaties van deze soorten zal veranderen., Maar nu we een idee hebben om het geslacht van reptielen om te keren, zal het mogelijk worden om de geslachtsverhoudingen van deze dieren te manipuleren om ze te beschermen zodat toekomstige generaties ervan kunnen genieten.

bron:

Ira W. Deveson, Clare E. Holleley, James Blackburn, Jennifer A. Marshall Graves, John S. Mattick, Paul D. Waters, and Arthur Georges (2017). Differential intron retentie in Jumonji chromatin modifier genes is implicated in reptile temperature-dependent sex determination, Science Advances, 3: e1700731, online gepubliceerd op 14 juni 2017 voorafgaand aan print/doi:10.1126 / sciadv.,1700731

ook vermeld:

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 and Makoto Tachibana (2013). Epigenetic Regulation of Mouse Sex Determination by the Histone Demethylase Jmjd1a, Science 341(6150):1106-1109 | doi:10.1126/science.1239864

Clare E. Holleley, Denis O ‘ eally, Stephen D. Sarre, Jennifer A. Marshall Graves, Tariq Ezaz, Kazumi Matsubara, Bhumika Azad, Xiuwen Zhang and Arthur Georges (2015)., Sex reversal triggers the rapid transition from genetic to temperature-dependent sex, Nature, 523: 79-82 | doi: 10.1038/nature14574

How Turning up The Heat Turns Male Dragons Into women | @GrrlScientist