Wie die Hitze männliche bärtige Drachen in Frauen verwandelt

Australische Wissenschaftler haben möglicherweise herausgefunden, wie Reptilien unter dem Stress extremer Temperaturen das Geschlecht verändern.

Wenn Sie ein Reptil keeper, bist du zweifellos vertraut mit dem Phänomen der temperaturabhängigen Geschlechtsbestimmung., Im Wesentlichen wird das Geschlecht vieler Reptilien-und sogar das Geschlecht einer Vielzahl von Fischen-durch Umgebungstemperaturen bestimmt, die in empfindlichen Entwicklungsstadien auftreten, und nicht durch das Vorhandensein einer bestimmten Kombination von Geschlechtschromosomen. Die temperaturabhängige Geschlechtsbestimmung unterscheidet sich von Säugetieren und Vögeln, die fast ausschließlich auf die chromosomale Geschlechtsbestimmung angewiesen sind. Trotz jahrzehntelanger Forschung wissen wir immer noch nicht genau, wie temperaturabhängige Geschlechtsunterschiede entstehen., Aber es scheint, dass eine Gruppe australischer Wissenschaftler es endlich herausgefunden hat: Es geht nur um die RNA-Bearbeitung.

Australische bärtige Drachen verlassen sich entweder auf chromosomale oder temperaturabhängige Geschlechtsbestimmung

Sex in fast allen Säugetieren ist abhängig von Geschlechtschromosomen. Das Geschlecht der Säugetiere ist das Ergebnis ihres XX / XY-Geschlechtsbestimmungssystems, bei dem Männer das heterogametische (XY) Geschlecht sind. Bei vielen Reptilien ist ihr Geschlecht jedoch das Ergebnis von Temperaturen, die während der Embryonalentwicklung auftreten: Männer resultieren aus der Exposition gegenüber bestimmten Temperaturen, während Frauen aus anderen Temperaturen resultieren.,

Bärtige Drachen verlassen sich jedoch sowohl auf Geschlechtschromosomen als auch auf Umgebungstemperaturen, die während der Embryonalentwicklung auftreten, um das Geschlecht zu bestimmen. Bei normalen Temperaturen bestimmt ihr chromosomales Make-up, welches Geschlecht sie sind. Aber bei hohen Temperaturen durchlaufen Drachen mit männlichen Chromosomen eine Geschlechtsumkehr und entwickeln sich als Weibchen. Bisher sind Drachen seltsam, weil sie die einzigen Reptilien sind, von denen bekannt ist, dass sie bei hohen Temperaturen einer Geschlechtsumkehr unterzogen werden-andere Reptilien reagieren empfindlich auf kalte Temperaturen (mit Ausnahme von Schlangen, die ausschließlich auf Geschlechtschromosomen beruhen).,

Es gibt acht Arten von Bartagamen, die alle auftreten, die ausschließlich in Australien. Eine dieser Arten, der australische zentrale bärtige Drache, Pogona vitticeps, ist ein besonders beliebtes Haustier und Zoo-Exemplar, weil es robust und pflegeleicht ist., Darüber hinaus ist diese Art ein leistungsfähiger Modellorganismus, der Wissenschaftlern ein klareres Verständnis der molekularen Ereignisse vermittelt, die mit der temperaturabhängigen Geschlechtsbestimmung verbunden sind.

Der bärtige Drache stützt sich auf ein ZZ/ZW-Geschlechtschromosomensystem, um die sexuelle Differenzierung zu steuern. Bei Drachen sind Männchen das angestammte homogametische Geschlecht, das zwei Z-Chromosomen besitzt, und Weibchen sind heterogametisch, mit ZW-Geschlechtschromosomen. Dies ist im Gegensatz zum Säugetier XX/XY Geschlechtschromosomensystem, wo das weibliche Geschlecht das angestammte „Standard“ – Geschlecht ist.,

Bärtige Drachen sind ein einzigartiges Modellsystem, da hohe Temperaturen ihr chromosomales Geschlechtsbestimmungssystem außer Kraft setzen. Wenn Eier unter 32° Celsius (89,6° Fahrenheit) inkubiert werden, bestimmen ihre Geschlechtschromosomen ihr Geschlecht, aber bei Temperaturen über 32° Celsius entwickeln sich immer mehr Eier zu Weibchen, unabhängig von ihrem chromosomalen Make-up (ref). Wenn die Temperaturen 36° Celsius erreichen, entwickeln sich 100% der genetischen Männchen zu geschlechtsumkehrten (ZZf) Weibchen.

Wenn ein normaler (ZZm) männlicher Drache mit einem geschlechtsumkehrten ZZf-Drache gepaart wird, ergibt diese Paarung notwendigerweise nur ZZ-Nachkommen. Das Geschlecht der Nachkommen, das sich aus dieser besonderen Paarung ergibt, wird jedoch ausschließlich durch die Inkubationstemperatur bestimmt, was darauf hindeutet, dass eine dauerhafte genetische Veränderung stattgefunden hat. Tatsächlich ist diese erbliche genetische Veränderung nach früheren Untersuchungen der vollständige Verlust des W-Chromosoms (ref).,

Hohe Temperaturen lösen eine Überexpression von Stressgenen und die Freisetzung von Stresshormonen aus

Um die molekularen Mechanismen, die die Entwicklung von Sex bei bärtigen Drachen steuern, besser zu verstehen, untersuchte und verglich ein Team australischer Forscher am Garvan Institute of Medical Research in Sydney, der Universität von Canberra und der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) RNAs, die in einer Vielzahl von Geweben produziert werden, die sie von erwachsenen Drachen gesammelt haben.,

Als die Forscher geschlechtsumwandelte ZZf-weibliche Drachen mit normalen (ZWf) Frauen verglichen, fanden sie einzigartige RNA-Expressionsprofile für 17 Gene in ihrem Gehirngewebe. Am ausgeprägtesten war die dramatische temperaturauslösende Überexpression (327-fach) des Umweltstress-Gens Pro-Opiomelanocortin (POMC, ausgesprochen „pom-c“). POMC ist 241 Aminosäurereste lang. Es wird in der Hypophyse synthetisiert und ist ein Vorläufer des Peptidhormons Adrenocorticotropin (ACTH), das die Freisetzung von Stresshormonen bei Wirbeltieren auslöst., So wurden Drachen, die während der Embryonalentwicklung warmen Temperaturen ausgesetzt waren, gestresst.

Zusätzlich zu dieser dramatischen Überexpression von POMC fanden die Forscher auch heraus, dass geschlechtsumkehrte ZZf-Drachen eine weibliche Expression männlicher Gene aufweisen, obwohl diese Tiere einige männliche Verhaltensweisen und Morphologien zeigen.

Der interessanteste Befund ist, dass zwei überexprimierte Gene, JARID2 und JMJD3, Mitglieder der Jumonji-Genfamilie sind., Jumonji-Proteine sind am besten für ihre Rolle sowohl bei der Entwicklung als auch bei Krebs bekannt: Sie kontrollieren die Identität von Stammzellen und sind für die normale Organentwicklung und Geschlechtsdifferenzierung bei Tieren unerlässlich. Zu diesem Zeitpunkt wissen wir noch nicht viel über die genauen Wirkungen einzelner Jumonji-Gene, aber wir wissen, dass die Säugetierversion von JARID2 mit SRY interagiert, einem Gen auf dem Säugetier-Y-Chromosom, das die Entwicklung von Hoden initiiert (ref). Ferner führt eine Funktionsstörung in diesem Gen bei Mäusen zu einer Geschlechtsumkehr von Mann zu Frau.,

Die versteckte Bedeutung von „Junk-DNA“

Die Forscher fanden heraus, dass JARID2 und JMJD3 bei erwachsenen Drachen in ZZf-Geweben stärker exprimiert wurden als in beiden ZWf von ZZm-Geweben. Diese beiden Gene wurden nicht nur überexprimiert, sondern die Forscher waren überrascht zu entdecken, dass JARID2 und JMJD3 ein einzigartiges alternatives Transkript in geschlechtsumkehrten ZZf-Drachen produzierten-ein Transkript, das in den Geweben normaler ZWf-und ZZm-Drachen nicht zu sehen ist. Das alternative RNA-Transkript jedes Gens behielt ein Intron bei., Introns sind DNA-Abschnitte, die Genexpressionsmuster leiten, anstatt Proteine zu kodieren, und diese Regionen werden aus der reifen RNA-Nachricht herausgespleißt (oder herausgearbeitet). Diese nicht kodierenden Zellen waren lange Zeit als „Junk-DNA“ bekannt, weil wir bis vor kurzem ihre wesentlichen Rollen in der Genexpression nicht verstanden haben.

Aber was war das Ergebnis dieser unbearbeiteten Introns? Eine sorgfältige Untersuchung der Sequenzdaten zeigte, dass JARID2 und JMJD3 jeweils ein Intron behielten, das ein Stop-Codon enthielt., Diese vorzeitigen Stop-Codons stoppen entweder die Produktion des Proteins oder sie führen dazu, dass kleinere Proteine aufgebaut werden. Solche abgekürzten Proteine funktionieren nicht normal: Ihre Funktionalität wird entweder reduziert, verändert oder vollständig abgeschafft.

Wir wissen, dass Jumonji-Gene die Expression einer Reihe von Genen steuern, von denen zumindest einige an der Geschlechtsbestimmung beteiligt sind., Wenn also Jumonji-Gene durch Umweltstress verändert werden, werden die von ihnen kontrollierten nachgeschalteten Gene nicht angemessen ein-oder ausgeschaltet, und auch sie werden in diesem Fall empfindlich auf Umweltstress reagiert-hohe Temperaturen. Da diese nachgeschalteten Gene Entwicklungsprozesse orchestrieren, die an der Geschlechtsbestimmung beteiligt sind, Umweltstress ist durch diese beiden Jumonji-Gene in Drachen mit der Geschlechtsbestimmung verbunden.

Die Forscher fragten sich, ob alternative JARID2-und JMJD3-Transkripte mit der temperaturempfindlichen Geschlechtsbestimmung bei anderen Reptilien in Verbindung gebracht werden könnten., Wie universell ist dieser molekulare Mechanismus bei Reptilien?

Um diese Fragen zu beantworten, verglichen sie die Sequenzen ihrer neu identifizierten intron-haltenden JARID2-und JMJD3-Transkripte mit RNAs von Alligatoren und Schildkröten, die beide sehr entfernte Verwandte von Drachen sind und beide temperaturabhängige Geschlechtsbestimmung zeigen. Schildkröten, die ein XX/XY-System haben, werden einer Niedertemperatur-Maskulinisierung unterzogen, während Alligatoren, die ein ZZ/ZW-System haben, eine Niedertemperatur-Feminisierung erfahren.,

Die Forscher fanden ähnliche intron-haltende JARID2 – und JMJD3-Transkripte in geschlechtsumkehrten Alligatoren und Schildkröten, was diese Gene zu den überzeugendsten Kandidaten macht, um der molekulare „Schalter“ zu sein, der Geschlechtsumkehrungen bei Reptilien steuert.

Sex (Umkehrung) dreht sich alles um die Dosierung

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die intron-haltenden Versionen dieser beiden Gene mit der Temperatur assoziiert sind, jedoch nicht mit einem bestimmten Geschlecht, da die Geschlechtsbestimmung subtiler ist als diese., Die Forscher schlagen vor, dass einige Reptilienlinien, wie Alligatoren und Drachen, sich aus weiblichen heterogametischen Geschlechtsbestimmungssystemen (ZZ/ZW) entwickelten, während andere, wie Schildkröten, sich aus männlichen heterogametischen Systemen entwickelten (XX/XY). So verursachen intron-haltende JARID2/JMJD3-Gene Geschlechtsumkehrungen, indem sie die Entwicklung des heterogametischen Geschlechts überschreiben, indem sie die Gesamtmenge an lebenswichtigen Proteinen reduzieren, die in empfindlichen Entwicklungsstadien hergestellt werden. Zum Beispiel sind Männer bei bärtigen Drachen das homogametische Geschlecht, so dass sie eine doppelte Dosis aller Gene auf dem Z-Chromosom erhalten., Ein Verlust der Expression einiger dieser Gene aufgrund von Umweltstress würde zu einer Verringerung oder einem Verlust der von ihnen kodierten Proteine führen, und diese geringere Dosierung von Schlüsselproteinen könnte dazu führen, dass sich ein genetisches Männchen als Weibchen entwickelt.

Da diese Forschung bei erwachsenen Drachen durchgeführt wurde, arbeitet das Team derzeit mit embryonalen Drachen zusammen, um festzustellen, wann diese temperaturempfindlichen RNA-Bearbeitungsunterschiede zum ersten Mal auftreten., Sie entfernen auch entweder JARID2-oder JMJD3-Gene aus ihrer DNA, um zu sehen, wie die Embryonalentwicklung beeinflusst wird und ob dieser genetische Verlust eine Geschlechtsumkehr bei hohen Temperaturen verhindern kann.

Da die“ Intronenretention “ in diesen beiden Jumonji-Genen bei Drachen, Alligatoren und Schildkröten dokumentiert wurde, die evolutionär entfernte Reptilienlinien sind (Abbildung A), schlagen die Forscher vor, dass dieses Phänomen ein alter, konservierter Mechanismus ist, der die temperaturabhängige Geschlechtsbestimmung von Reptilien kontrolliert., Da das Umweltstress-Gen POMC bei geschlechtsumwandelten Individuen dramatisch überexprimiert wird, stellen diese genetischen Ereignisse eine weitere zwingende Verbindung zwischen Umweltstress und Geschlechtsbestimmung bei Reptilien her.

Hochgerechnet nach außen bedeutet dies, dass die globale Erwärmung eine ernsthafte Bedrohung für das Fortbestehen von Drachen darstellt, da sie die Geschlechtsverhältnisse der Populationen dieser Arten verändern wird., Aber jetzt, da wir eine Vorstellung davon haben, wie wir das Geschlecht von Reptilien umkehren können, wird es möglich sein, die Geschlechtsverhältnisse dieser Tiere zu manipulieren, um sie für zukünftige Generationen zu erhalten.

Quelle:

Ira W. Deveson, Clare E. Holleley, James Blackburn, Jennifer A. Marshall Graves, John S. Mattick, Paul D. Waters, Arthur Georges (2017). Differential-intron-retention in Jumonji chromatin-Modifikator-Gene ist verwickelt in Reptil temperature-dependent sex determination, Science Advances, 3:e1700731, online veröffentlicht am 14 Juni 2017 ahead of print | doi:10.1126/sciadv.,1700731

Auch genannt:

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 und Makoto Tachibana (2013). Die epigenetische Regulation der Maus Sex Bestimmung durch den Histon-Demethylase Jmjd1a, Science 341(6150):1106-1109 | doi:10.1126/science.1239864

Clare E. Holleley, Denis O’Meally, Stephen D. Saar, Jennifer A. Marshall Graves, Tariq Ezaz, Kazumi Matsubara, Bhumika Azad, Xiuwen Zhang und Arthur Georges (2015)., Geschlechtsumkehr löst den schnellen Übergang von genetischem zu temperaturabhängigem Geschlecht aus, Natur, 523: 79-82 / doi: 10.1038 / nature14574

Wie das Aufdrehen der Hitze männliche Drachen in Frauen verwandelt / @GrrlScientist