Jak pod wpływem ciepła samce brodatych Smoków zamieniają się w samice

australijscy naukowcy mogli dowiedzieć się, jak gady zmieniają płeć pod wpływem stresu ekstremalnych temperatur.

Jeśli jesteś Reptile keeper, jesteś bez wątpienia zaznajomiony ze zjawiskiem determinacji płci zależnej od temperatury., Zasadniczo, płeć wielu gadów – a nawet płeć różnych ryb – zależy od temperatury środowiska doświadczanej podczas wrażliwych stadiów rozwoju, a nie od obecności określonej kombinacji chromosomów płciowych. Determinacja płci zależna od temperatury różni się od ssaków i ptaków, które polegają prawie wyłącznie na determinacji płci chromosomalnej. Jednak, pomimo dziesięcioleci badań, nadal nie wiemy dokładnie, w jaki sposób powstają różnice płci zależne od temperatury., Ale wygląda na to, że grupa australijskich naukowców w końcu to rozgryzła: chodzi o edycję RNA.

smoki brodate australijskie opierają się na chromosomach lub zależnej od temperatury determinacji płci

płeć u prawie wszystkich ssaków jest zależna od chromosomów płciowych. Płeć ssaków jest wynikiem ich systemu determinacji płci XX/XY, w którym samce są heterogametycznymi (XY) płciami. Jednak u wielu gadów ich płeć jest wynikiem temperatur doświadczanych podczas rozwoju embrionalnego: samce są wynikiem narażenia na niektóre temperatury, podczas gdy samice na inne temperatury.,

ale brodate smoki polegają zarówno na chromosomach płciowych, jak i temperaturach środowiska doświadczanych podczas rozwoju embrionalnego w celu określenia płci. W normalnych temperaturach ich chromosomalny makijaż decyduje o płci. Ale w wysokich temperaturach smoki z męskimi chromosomami ulegają odwróceniu płci i rozwijają się jako samice. Do tej pory smoki są dziwaczne, ponieważ są jedynymi gadami, o których wiadomo, że ulegają odwróceniu płci w wysokich temperaturach. inne gady są wrażliwe na niskie temperatury (z wyjątkiem węży, które polegają wyłącznie na chromosomach płciowych).,

istnieje osiem gatunków brodatych smoków, z których wszystkie występują wyłącznie w Australii. Jeden z tych gatunków, australijski Smok Brodaty, Pogona vitticeps, jest szczególnie popularnym okazem dla zwierząt domowych i zoo, ponieważ jest wytrzymały i łatwy w pielęgnacji., Dodatkowo, ten gatunek jest potężnym organizmem modelowym, który zapewnia naukowcom lepsze zrozumienie molekularnych wydarzeń związanych z zależną od temperatury determinacją płci.

Smok Brodaty opiera się na systemie chromosomów płciowych ZZ/ZW, aby kierować różnicowaniem płciowym. U smoków samce są przodkami homogametycznej płci, posiadają dwa chromosomy Z, a samice są heterogametyczne, z chromosomami płci ZW. Jest to przeciwieństwo układu chromosomu płciowego XX/XY u ssaków, gdzie bycie kobietą jest przodkową” domyślną ” płcią.,

brodate smoki są unikalnym systemem modelowym, ponieważ wysokie temperatury nadpisują ich chromosomowy system determinacji płci. Kiedy jaja są inkubowane poniżej 32 ° C (89,6 ° Fahrenheita), ich chromosomy płci dyktują ich płeć, ale dla temperatur powyżej 32 ° C, rosnąca liczba jaj rozwija się w samice, niezależnie od ich składu chromosomalnego (ref). Gdy temperatura osiągnie 36 ° C (96,8 ° Fahrenheita), 100% genetycznych samców przekształca się w samice o odwróconej płci (ZZF).

Ponadto, gdy zwykły (ZZM) smok płci męskiej jest połączony ze smokiem ZZF odwróconym płciowo, to parowanie niekoniecznie daje tylko potomstwo ZZ. Jednak płeć potomstwa wynikająca z tego parowania zależy wyłącznie od temperatury inkubacji, co sugeruje, że zaszła jakaś trwała zmiana genetyczna. W rzeczywistości, zgodnie z wcześniejszymi badaniami, ta dziedziczna zmiana genetyczna jest całkowitą utratą chromosomu w (ref).,

wysokie temperatury wyzwalają nadmierną ekspresję genów stresu i uwalnianie hormonów stresu

aby lepiej zrozumieć mechanizmy molekularne, które kontrolują rozwój seksu u brodatych smoków, zespół australijskich naukowców z Garvan Institute of Medical Research w Sydney, University of Canberra i Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), zbadał i porównał RNA, które są produkowane w różnych tkankach, które zebrali od dorosłych smoków.,

kiedy badacze porównali płciowo odwrócone smoki ZZF do normalnych (ZWf) samic, odkryli unikalne profile ekspresji RNA dla 17 genów w ich tkankach mózgowych. Najbardziej wyraźna była dramatyczna, wywołana temperaturą nadmierna ekspresja (327-krotnie) genu stresu środowiskowego, Pro-opiomelanocortin (POMC, wymawiane „pom-c”). POMC ma długość 241 reszt aminokwasowych. Jest syntetyzowany w przysadce mózgowej i jest prekursorem hormonu peptydowego adrenokortykotropiny (ACTH), który wyzwala uwalnianie hormonów stresu u kręgowców., Tak więc smoki wystawione na działanie ciepłych temperatur podczas rozwoju zarodkowego stały się zestresowane.

oprócz tej dramatycznej nadekspresji POMC, naukowcy odkryli również, że smoki ZZF odwrócone płcią mają kobiecą ekspresję męskich stronniczych genów, mimo że zwierzęta te wykazują pewne męskie zachowania i morfologie.

najciekawszym odkryciem jest to, że dwa nadekspresowane geny, JARID2 i JMJD3, należą do rodziny genów Jumonji., Białka Jumonji są najbardziej znane ze swojej roli zarówno w rozwoju, jak i w raku: kontrolują tożsamość komórek macierzystych i są niezbędne do prawidłowego rozwoju narządów i różnicowania płci u zwierząt. W tym momencie nadal nie wiemy zbyt wiele o dokładnym działaniu poszczególnych genów Jumonji, ale wiemy, że wersja ssaka JARID2 współdziała z SRY, genem na chromosomie Y ssaków, który inicjuje rozwój jąder (ref). Ponadto dysfunkcja w tym genie powoduje odwrócenie płci męskiej do żeńskiej u myszy.,

ukryte znaczenie „śmieciowego DNA”

badacze odkryli, że u dorosłych smoków JARID2 i JMJD3 były bardziej wyrażone w tkankach ZZF niż w obu ZWf tkanek ZZm. Nie tylko te dwa geny zostały nadmiernie wyrażone, ale naukowcy byli zaskoczeni odkryciem, że JARID2 i JMJD3 wytworzyły unikalny alternatywny transkrypt u odwróconych płciowo smoków ZZF-transkrypt, który nie jest widoczny w tkankach normalnych Smoków ZWf i ZZM. Alternatywny transkrypt RNA każdego genu zachował jeden intron., Introny są odcinkami DNA, które kierują wzorcami ekspresji genów zamiast kodowania białek, a te regiony są spliced out (lub edytowane), dojrzałej wiadomości RNA. Te niekodujące odcinki były od dawna znane jako” śmieciowe DNA”, ponieważ do niedawna nie rozumialiśmy ich zasadniczej roli w ekspresji genów.

ale jaki był wynik tych nieedytowanych intronów? Dokładna analiza danych sekwencji wykazała, że jarid2 i JMJD3 zachowały intron zawierający kodon stop., Te przedwczesne kodony zatrzymać albo zatrzymać produkcję białka lub powodują mniejsze białka być zbudowane. Takie skrócone białka nie działają normalnie: ich funkcjonalność jest albo zmniejszona, zmieniona, albo całkowicie zniesiona.

wiemy, że geny Jumonji kontrolują ekspresję zestawu genów, z których przynajmniej część bierze udział w determinacji płci., Więc kiedy geny Jumonji są zmieniane przez stres środowiskowy, geny podrzędne, które kontrolują, nie są odpowiednio włączane lub wyłączane, a zatem również są wrażliwe na stres środowiskowy-w tym przypadku wysokie temperatury. Ponieważ te późniejsze geny koordynują procesy rozwojowe zaangażowane w determinację płci, stres środowiskowy jest związany z determinacją płciową poprzez te dwa geny Jumonji u smoków.

badacze zastanawiali się, czy alternatywne transkrypty JARID2 i JMJD3 mogą być związane z wrażliwym na temperaturę określeniem płci u innych gadów?, Jak uniwersalny jest ten mechanizm molekularny wśród gadów?

aby odpowiedzieć na te pytania, porównali sekwencje nowo zidentyfikowanych transkryptów jarid2 i jmjd3 zatrzymujących intron do RNA od aligatorów i żółwi, z których oba są bardzo odległymi krewnymi smoków, a oba wykazują determinację płci zależną od temperatury. Żółwie, które mają system XX / XY, przechodzą niskotemperaturową maskulinizację, podczas gdy aligatory, które mają system ZZ / ZW, doświadczają niskotemperaturowej feminizacji.,

badacze odkryli podobne transkrypty intronów jarid2 i JMJD3 u aligatorów i żółwi odwróconych płciowo, co czyni te geny najbardziej przekonującymi kandydatami do bycia molekularnym „przełącznikiem”, który kontroluje odwracanie płci u gadów.

Seks (odwrócenie) polega na dawkowaniu

ważne jest, aby zwrócić uwagę, że wersje zatrzymujące introny tych dwóch genów są związane z temperaturą, ale nie z konkretną płcią, ponieważ determinacja płci jest bardziej subtelna niż ta., Badacze sugerują, że niektóre linie gadów, takie jak aligatory i smoki, wyewoluowały z żeńskich heterogametycznych systemów determinacji płci (ZZ/ZW), podczas gdy inne, takie jak żółwie, wyewoluowały z męskich systemów heterogametycznych (XX / XY). Więc intron zachowujący geny JARID2/JMJD3 powodują odwrócenie płci poprzez nadrzędny rozwój heterogametycznej płci poprzez zmniejszenie ogólnej ilości ważnych białek wytwarzanych podczas wrażliwych etapów rozwoju. Na przykład u brodatych smoków samce są płcią homogametyczną, więc otrzymują podwójną dawkę wszystkich genów znajdujących się na chromosomie Z., Utrata ekspresji niektórych z tych genów z powodu stresu środowiskowego spowodowałaby zmniejszenie lub utratę białek, które kodują, a ta mniejsza dawka kluczowych białek mogłaby spowodować rozwój genetyczny mężczyzny jako kobiety.

ponieważ badania przeprowadzono na dorosłych smokach, zespół pracuje obecnie z embrionalnymi smokami, aby zidentyfikować, kiedy te wrażliwe na temperaturę różnice edycji RNA po raz pierwszy się pojawiają., Usuwają również geny JARID2 lub jmjd3 z dna smoka, aby zobaczyć, jak wpływa na rozwój zarodkowy i czy ta utrata genetyczna może zapobiec odwróceniu płci w wysokich temperaturach.

widząc, że „retencja intronowa” w tych dwóch genach Jumonji została udokumentowana u smoków, aligatorów i żółwi, które są ewolucyjnie odległymi liniami gadów (rysunek A), naukowcy sugerują, że zjawisko to jest starożytnym, zachowanym mechanizmem kontrolującym determinację płci gadów zależną od temperatury., Co więcej, ponieważ gen stresu środowiskowego, POMC, jest dramatycznie nadmiernie wyrażany w osobach odwróconych płcią, te zdarzenia genetyczne zapewniają jeszcze inny istotny związek między stresem środowiskowym a determinacją płci u gadów.

ekstrapolując Na Zewnątrz, oznacza to, że globalne ocieplenie stanowi poważne zagrożenie dla dalszego istnienia smoków, ponieważ zmieni stosunek płciowy populacji tych gatunków., Ale teraz, gdy mamy pomysł, jak odwrócić płeć gadów, będzie można manipulować proporcjami płci tych zwierząt, aby pomóc zachować je dla przyszłych pokoleń, aby cieszyć się.

źródło:

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

wymienili również:

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

, Seks odwrotny wyzwala szybkie przejście od genetycznego do zależnego od temperatury seksu, Nature, 523:79-82 | DOI:10.1038/nature14574

jak Podkręcanie ciepła zmienia męskie smoki w samice / @ GrrlScientist