Ta strona używa plików cookies, aby zapewnić najlepszą jakość korzystania z naszego serwisu oraz do celów analitycznych. Klikając "Akceptuję", wyrażasz zgodę na używanie wszystkich plików cookies. Możesz również odrzucić zgodę, co spowoduje zablokowanie plików cookies analitycznych. Więcej informacji znajdziesz w naszej Polityce Prywatności.
Geckony pokazują, jak klimat i genom kształtują chromosomy płci
22 systemy chromosomów płciowych u gekonów wywodzą się z 17 chromosomów przodków.
W kilku liniach różnicowanie chromosomów płci zbiegło się z ochłodzeniem klimatu w miocenie.
Geny aktywne w jądrach mogły zwiększać szansę, że chromosom stanie się chromosomem Z zamiast X.
Utrata genów na chromosomach Y i W jest częściowo równoważona przez kompensację dawki.
Sponsorowane
Odkryj rewolucyjną metodę nauki języków
Sprawdź jak w 30 dni opanować podstawy dowolnego języka obcego bez wychodzenia z domu.
Dlaczego u ludzi o płci biologicznej związanej z rozwojem organizmu współdecyduje układ chromosomów XX lub XY, u ptaków działa układ ZZ i ZW, a u wielu gadów podobny mechanizm w ogóle nie jest potrzebny, bo znaczenie ma temperatura inkubacji jaj? Zespół z Zhejiang University przeanalizował genomy 22 gatunków gekonów, aby odtworzyć historię powstawania chromosomów płciowych i sprawdzić, co mogło kierować ich ewolucją. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Science wskazują, że znaczenie mogły mieć zarówno zmiany klimatu, jak i wcześniejsza zawartość genów w chromosomie, który został później zaangażowany w determinację płci.
Gady oferują wiele sposobów określania płci
U zwierząt występuje kilka podstawowych strategii. W genetycznej determinacji płci, określanej skrótem GSD, informacja o rozwoju płci jest zapisana w genomie. U ludzi i większości ssaków osobniki z układem XX rozwijają się jako samice, a osobniki XY jako samce. W układzie ZW, spotykanym u ptaków i części gadów, samce mają dwa chromosomy Z, czyli ZZ, natomiast samice mają chromosomy Z i W. Litery są odwrócone względem popularnego schematu XY, ponieważ chromosom Z występuje u obu płci, a chromosom W jest ograniczony do samic.
U części gadów działa środowiskowa determinacja płci, najczęściej zależna od temperatury, czyli TSD
Słownik artykułu
Pojęcia, które warto znać
Krótkie objaśnienia terminów występujących w tekście. Każde hasło prowadzi do szerszej definicji i przykładów użycia.
. U żółwi skórzastych wyższa temperatura inkubacji prowadzi do rozwoju większej liczby samic, natomiast u aligatorów amerykańskich samce pojawiają się wyłącznie w pośrednim zakresie temperatur. Taki mechanizm oznacza, że warunki środowiska w okresie rozwoju mogą wpływać na proporcje płci w populacji. Nie wszystkie gatunki gadów korzystają jednak z tego samego rozwiązania.
U ludzi i większości ssaków typowy układ to XX u samic i XY u samców.
U ptaków samce mają układ ZZ, a samice ZW.
U części gadów o płci potomstwa może współdecydować temperatura inkubacji jaj.
U gekonów występują jednocześnie systemy zależne od temperatury, XY i ZW.
Gekony jako naturalne laboratorium ewolucji
Gekony są szczególnie użyteczne w badaniach nad ewolucją chromosomów płciowych, ponieważ w tej grupie występuje pełne spektrum rozwiązań. Niektóre gatunki mają determinację płci zależną od temperatury, inne systemy XY albo ZW. Same pary chromosomów płciowych mogą być bardzo młode i niemal identyczne, czyli homomorficzne, albo stare i wyraźnie różniące się od siebie, czyli heteromorficzne. Analizy filogenetyczne wskazują też, że u gekonów co najmniej 23 razy dochodziło do przejścia między środowiskową a genetyczną determinacją płci.
Naukowcy zbadali trzy gatunki z determinacją zależną od temperatury, sześć gatunków z systemem XY i 11 gatunków z systemem ZW. Do porównań dołączono także dwa gatunki zewnętrzne, używane jako punkt odniesienia w analizie ewolucyjnej. Łącznie badany zestaw obejmował około 70 procent znanych, niezależnych początków ewolucji chromosomów płciowych u gekonów. Dzięki porównaniu genomów można było sprawdzić nie tylko, które chromosomy przejęły funkcję chromosomów płci, ale także kiedy i w jakich warunkach mogło do tego dojść.
Gekony oddzieliły się od pozostałych jaszczurek i węży około 191 milionów lat temu. Ich wspólny przodek miał 38 chromosomów, a żaden z nich nie był wyspecjalizowanym chromosomem płciowym. Autorzy badania prześledzili 22 odrębne systemy chromosomów płciowych występujące u 20 gatunków z genetyczną determinacją płci. Okazało się, że można je wyprowadzić zaledwie z 17 chromosomów przodków. Oznacza to, że te same chromosomy były wielokrotnie niezależnie wykorzystywane w ewolucji, ale niekoniecznie w identyczny sposób.
Zmiany klimatu mogły sprzyjać przejściu na system genetyczny
Przykładem powtarzalności jest chromosom przodka oznaczony numerem 16. W czterech niezależnych liniach gekonów przekształcił się on w układ Z i W. Jednocześnie nawet chromosomy płciowe wywodzące się z tego samego chromosomu przodka często mają różne regiony zróżnicowania płciowego. To pokazuje, że wspólne pochodzenie nie przesądza o identycznym przebiegu dalszej ewolucji. Co więcej, w tych regionach zwykle nie znajdowano genów, które u innych kręgowców są klasycznie kojarzone z uruchamianiem rozwoju płci. Gekony mogą więc wykorzystywać inne, dotąd nieustalone przełączniki molekularne. Jest to wskazówka dotycząca mechanizmu, a nie jego ostateczna identyfikacja.
Wiek chromosomów płciowych oszacowano na podstawie rozbieżności w sekwencjach DNA. Wyniki obejmowały okres od mniej niż 6 milionów lat w niektórych gatunkach do ponad 54 milionów lat w innych. W pięciu z 11 datowanych gatunków z genetyczną determinacją płci różnicowanie chromosomów rozpoczęło się w stosunkowo wąskim przedziale od 7 do 12 milionów lat temu, ze skupieniem w pobliżu 9,6 miliona lat temu.
Ten okres przypada na środkowomioceńską transformację klimatyczną, czyli czas globalnego ochłodzenia, postępującego wysychania i fragmentacji siedlisk. Autorzy sugerują, że takie zakłócenia mogły wielokrotnie zmniejszać stabilność systemów zależnych od temperatury i sprzyjać przejściu na genetyczną determinację płci. Stały system zapisany w genomie mógł być mniej bezpośrednio zależny od lokalnych warunków podczas rozwoju jaj. Zbieżność dat jest zgodna z tą hipotezą, ale sama analiza nie dowodzi, że zmiany klimatu były przyczyną każdego z obserwowanych przejść. Naukowcy określają ten powtarzający się wzorzec mianem impulsu narodzin chromosomów płciowych.
Czy chromosom z góry skazany jest na rolę X albo Z?
Drugie pytanie dotyczyło kierunku ewolucji. Kiedy zwykła para chromosomów zaczyna pełnić funkcję chromosomów płciowych, jeden z nich może stać się chromosomem X, związanym z chromosomem Y, albo chromosomem Z, związanym z chromosomem W. Analiza sugeruje, że część odpowiedzi może być zapisana w chromosomie jeszcze przed jego zaangażowaniem w determinację płci. Chromosomy przodków bogate w geny szczególnie aktywne w jądrach częściej przekształcały się w chromosomy Z, a te z mniejszą liczbą takich genów częściej dawały początek systemowi X.
Ten wzorzec nie ograniczał się do gekonów. Naukowcy sprawdzili go także w analizie obejmującej 39 gatunków kręgowców, w tym ssaki, ptaki, gady, płazy i ryby. Zależność była najsilniejsza u owodniowców z zapłodnieniem wewnętrznym, czyli między innymi u ssaków, ptaków i gadów. Autorzy wskazują, że presja selekcyjna związana z produkcją plemników mogła mieć znaczenie dla tego kierunku ewolucji. To wyjaśnienie pozostaje jednak interpretacją wzorca statystycznego, a nie dowodem, że aktywność genów w jądrach samodzielnie przesądza o powstaniu chromosomu Z lub X.
Stabilizacja systemu wymaga ochrony równowagi genów
Po ograniczeniu rekombinacji między parą chromosomów płciowych chromosom Y albo W zaczyna stopniowo tracić geny. W rezultacie osobnik z takim zdegenerowanym chromosomem może mieć tylko jedną funkcjonalną kopię części genów, podczas gdy osobnik z dwiema pełnymi kopiami ma ich dwie. Różnica w liczbie kopii może zmieniać ilość powstających produktów genów i zaburzać równowagę potrzebną komórkom do działania.
U większości zbadanych gekonów z genetyczną determinacją płci organizm częściowo przeciwdziała temu problemowi dzięki kompensacji dawki genów. Aktywność genów w płci posiadającej zdegenerowany chromosom jest zwiększana, co pomaga wyrównać skutki utraty części kopii. Geny, które pozostają na chromosomach Y lub W, nie są przy tym przede wszystkim związane z rozrodem ani cechami specyficznymi dla płci. Częściej są to geny ważne dla podstawowych procesów komórkowych. Ich przetrwanie może więc zależeć bardziej od kosztu utraty działającej kopii niż od bezpośredniego znaczenia dla rozmnażania.
Na podstawie wszystkich wyników zespół zaproponował czteroetapowy model powstawania i utrwalania nowego systemu determinacji płci. Najpierw zaburzenia klimatyczne mogą sprzyjać przejściu od systemu zależnego od temperatury do systemu genetycznego. Następnie wcześniejsza zawartość genów w danym chromosomie może zwiększać prawdopodobieństwo powstania układu X albo Z. W kolejnym etapie ograniczenie rekombinacji prowadzi do różnicowania się pary chromosomów. Na końcu utrata genów na Y lub W jest częściowo równoważona przez kompensację dawki, co pomaga ustabilizować nowy system.
Badanie nie oznacza, że ewolucja chromosomów płciowych przebiega według jednego, niezmiennego scenariusza. Przeciwnie, różnice między liniami gekonów pokazują, że podobne rozwiązania mogą powstawać niezależnie i na różne sposoby. Wyniki sugerują jednak, że ich pojawienie się nie jest całkowicie przypadkowe. Na kierunek zmian mogą wpływać jednocześnie warunki klimatyczne, skład genetyczny chromosomu przodka oraz długotrwała selekcja działająca na ekspresję i utrzymanie genów. To rozszerza wiedzę o tym, jak ewolucja przekształca zwykłe chromosomy w wyspecjalizowane systemy determinacji płci.
