Podwójne smoki pomagają wyjaśnić ustalanie płci gadów

18 sierpnia 2025

autor: GigaScience

redakcja: Sadie Harley, recenzja: Robert Egan

redaktor naukowy

redaktor współpracujący

Ten artykuł został przeglądnięty zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

sprawdzona faktograficznie

publikacja z recenzją innych naukowców

skorygowana

Dwie różne studia opublikowane w GigaScience przedstawiają prawie kompletne referencyjne genomiki centralnego agamy brodatego (Pogona vitticeps), gatunku smoka z rodziny agamów, powszechnego w środkowo-wschodniej Australii i popularnego jako zwierzęta domowe w Europie, Azji i Ameryce Północnej. Ten gatunek ma nietypową cechę: czy ta jaszczurka stanie się samcem czy samicą zależy nie tylko od genetyki, ale także od temperatury gniazda.

Od dawna był to użyteczny model do badania biologicznych podstaw determinacji płci, a nadejście ogromnych postępów technologicznych w dziedzinie genomiki w końcu ujawniło region genomu i potencjalny gen determinujący płci, który jest prawdopodobnie kluczowy dla różnicowania płciowgo na kierunku męskim. Niezależna weryfikacja tego przez dwie różne grupy, korzystające z dwóch różnych podejść, czyni tę obserwację znacznie bardziej wiarygodną.

Agamy brodate mają nietypowy układ determinacji płci, który jest pod wpływem zarówno genetyki, jak i czynników środowiskowych, w szczególności temperatury.

W odróżnieniu od większości zwierząt, gdzie płeć jest wyłącznie uzależniona od chromosomów, agamy brodate mogą mieć odwróconą płeć z męskiej w żeńską przy wysokich temperaturach inkubacji jaj. Oznacza to, że jaszczurka z chromosomami męskimi może rozwinąć się w pełnoprawną samicę, jeśli jajko jest inkubowane w wystarczająco ciepłej temperaturze.

Podobnie jak ptaki i wiele gadów, ten gatunek posiada system chromosomów płciowych ZZ/ZW, gdzie samice posiadają parę niepodobnych chromosomów ZW, a samce dwa podobne chromosomy ZZ.

Określenie płci u tego gatunku jest dodatkowo utrudnione, ponieważ genotypowe samce ZZ mogą zmienić się w fenotypowe samice przy wysokich temperaturach inkubacji bez pomocy chromosomu W ani genów związanych z chromosomem W.

Nowa technologia ultra-długiego sekwencjonowania nanoporów pozwala nam teraz na generowanie kompletnych sekwencji genomów od telomeru do telomeru (T2T) chromosomów płciowych i identyfikację regionów nie-ulegających rekombinacji, aby zawęzić pole kandydatów na geny determinujące płeć w gatunkach z determinacją płci z udziałem chromosomów.

Zdolność tej technologii do lepszego oddzielenia matczynych i ojcowskich połówek genomu pozwala teraz na znacznie łatwiejsze porównania sekwencji Z i W w celu oceny potencjalnej utraty lub różnicy w funkcji kluczowych kandydatów na geny płci.

Pierwszy artykuł naukowców z BGI, Chińskiej Akademii Nauk oraz Uniwersytetu Zhejiang, wykorzystał krótkie odczyty DNBSEQ połączone z długimi odczytami z nowego sekwencjonera nanoporów CycloneSEQ, jako pierwszy genom zwierzęcia opublikowany z wykorzystaniem tej technologii.

Drugi genom został zsekwencjonowany przez badaczy z Uniwersytetu Canberry, z wkładem w analizy badaczy z Narodowego Uniwersytetu Australijskiego, Instytutu Medycznego Garvan, Uniwersytetu Nowego Południa Walii i CSIRO, obok Uniwersytetu Autonomicznego w Barcelonie (UAB) w Hiszpanii.

To zsekwencjonowanie użyło czytów HiFi PacBio, ultradługich czytów ONT oraz sekwencjonowania Hi-C. Publikacja referencyjnych genomów z użyciem tych dwóch różnych technologii pozwala na porównanie technologii ONT i CycloneSEQ w sposób bezpośredni. Obie technologie uzupełniają się również, badając kwestię determinacji płci za pomocą różnych podejść.

Pierwszy genom zsekwencjonował samca ZZ centralnej agamy brodatej, aby po raz pierwszy scharakteryzować cały chromosom płci Z, podczas gdy drugi zmontował genom osobnika żeńskiego ZW.

Nowy sekwencer nanoporów umożliwił odzyskanie około 124 milionów par zasad wcześniej nieskategoryzowanych i brakujących sekwencji (niemal 7% genomu), które zawierały liczne geny i elementy regulujące, aby lepiej wyjaśnić złożony system determinacji płci.

Odkrywaj najnowsze osiągnięcia w nauce, technologii i kosmosie, razem z ponad 100 000 subskrybentów polegających na Phys.org dla codziennych spostrzeżeń. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje dotyczące przełomów, innowacji i badań, które mają znaczenie – codziennie lub tygodniowo.

Oba projekty zmontowały genomy 1,75 Gbp o wyjątkowo wysokiej jakości, aby zmontować wszystkie telomery oprócz jednego, a pozostało tylko kilka przerw, głównie znajdujących się w mikrochromosomach.

Korzystając z tych danych, pokazano, że specyficzne dla płci chromosomy Z i W zostały zmontowane w pojedyncze szablony, a „pseudoautosomalny region” (PAR), gdzie chromosomy płci się łączą i ulegają rekombinacji, został również wykryty na chromosomie 16.

Sekwencjonowanie smoka męskiego przez zespół BGI szukało genów specyficznych dla chromosomu Z, ale nie W, i Amh i Amhr2 (gen hormonu przeciwmüllerowskiego i jego receptor) plus Bmpr1a zostały określone jako silne kandydatki na geny determinujące płeć u tej gatunki.

Sekwencjonowanie smoka żeńskiego przez zespół z Australii wskazało na te same kandydatki na Region Determinacji Płci (SDR) w genomie smoka, podkreślając także Amh i Amhr2 jako prawdopodobne geny kandydackie.

Badanie ekspresji w różnych fazach rozwoju wykazało, że Amh miało istotne wzorce ekspresji z przewagą męską, co czyni go najbardziej prawdopodobną kandydatką na gen decydujący o płci.

Różnicowa ekspresja innego genu związanego z płcią, Nr5a1, w PAR, sugeruje, że historia może być bardziej skomplikowana, ponieważ Nr5a1 koduje czynnik transkrypcyjny z miejscami wiążącymi w regionie promotora Amh. W odróżnieniu od wielu ryb, które wykorzystują geny podobne do Amh w determinacji płci, autosomalne kopie Amh i genu jego receptora Amhr2 pozostają nietknięte i funkcjonalne.

Być może więc płeć jest determinowana przez pewnego rodzaju zjazd genów na chromosomy płci smoka brodatego moderowanego przez ich pozostałe autosomalne kopie.

Głównym punktem tych montaży jest odkrycie elementów genetycznych decydujących o męskiej różnicacji płciowej u kręgowców, na chromosomach płci.

Geny Amh i AMHR2 kodujące jego receptor zostały skopiowane na chromosom Z w regionie nierekomubinującym, co sprawia, że są oczywistymi kandydatami na gen decydujący o płci działający za pomocą mechanizmu opartego na dawce w tym gatunku, odkrycie, które unikało od lat odkrycia.

Nie odkryto do tej pory żadnego głównego genu determinującego płeć podobnego do Sry u ssaków lub Dmrt1 u ptaków u żadnego gatunku gadów. Ta nowa praca dostarcza jasnej kandydatki w postaci Amh, która występuje w podwójnej dawce u samca ZZ i pojedynczej dawce u samicy ZW.

Arthur Georges z Uniwersytetu w Canberze i starszy autor drugiej pracy mówi o przydatności tej pracy: 'Oczekujemy przyspieszenia badań w innych obszarach wynikających z tych nowo dostępnych montaży, takich jak rozwój czaszki, rozwój mózgu, badania behawioralne, interakcje genów-genów i genów-środowiska w badaniach porównawczych determinacji płci kręgowców oraz w wielu innych obszarach poszukując dobrze wspieranego modelu śladowego do porównania z ich gatunkiem-modelowym, czy to mysz, człowiek czy ptak.'

'Nigdy nie przestaje mnie zadziwiać szybkość postępów w nauce chińskiej. W stosunkowo krótkim czasie BGI i jego towarzyskie przedsiębiorstwa opracowały technologie sekwencjonowania, które dostarczają wyników równie dobrych, a wydajność i opłacalność, która jest lepsza od konkurencyjnych technologii na rynku. Te montaże genomów są tego świadectwem.'

Qiye Li z BGI i główny autor pierwszej pracy, główny autor chińskiego projektu, wyjaśnia swoje racje dla zastosowania tego podejścia: 'Zdecydowaliśmy się rozpocząć pracę nad genomem smoka brodatego w zeszłym roku jako pierwszy genotyp zwierzęcia do tego nowego sekwencjonera, ponieważ był Rokiem Smoka w Chinach.

'Korzystając z obiektywnych długich odczytów dostarczanych przez sekwencer CycloneSEQ, łatwo uzyskaliśmy bardzo kompletny montaż genomu i rozwiązaliśmy bardzo powtarzalne i o wysokim stosunku GC regiony, które tradycyjnie stanowiły wyzwanie dla montażu. Dwa genomy referencyjne, pochodzące od przeciwnych płci i generowane za pomocą różnych technologii, są rzeczywiście uzupełniające dla siebie.

'Jestem podekscytowany tym, że oba genomy wskazują na kluczową rolę sygnalizacji AMH w determinacji płci u tego gatunku. Ale jak powstały chromosomy płci? Oczekujemy, że dodatkowe genomy wysokiej jakości z blisko spokrewnionych gatunków dalsze wyjaśnią ewolucyjne pochodzenie systemu ZW i ukończą historię.'

Mając dwa oddzielne projekty, które niezależnie od siebie odkrywają te same kluczowe kandydatki na geny główne, znacznie zwiększa pewność w tych odkryciach. A otwarte udostępnienie wszystkich danych pozwala innym budować na tej pracy, zwłaszcza że dokładna rola niektórych innych przyczyniających się czynników transkrypcyjnych związanych z determinacją płci nie jest jeszcze w pełni rozwiązana.

Generowanie tych dwóch nowych montaży genomów wysokiej jakości jest jednak ogromnym krokiem naprzód w zrozumieniu kompletnej historii determinacji płci u tego gatunku.

Więcej informacji: Guo Q, et al., A near-complete genome assembly of the bearded dragon Pogona vitticeps provides insights into the origin of Pogona sex chromosomes. GigaScience (2025). doi.org/10.1093/gigascience/giaf079

Hardip Patel et al, A near-telomere to telomere phased genome assembly and annotation for the Australian central bearded dragon Pogona vitticeps, GigaScience (2025). DOI: 10.1093/gigascience/giaf085

Webinar z dwoma głównymi autorami jest zorganizowany na 26 sierpnia o godzinie 10.00 UTC i daje możliwość zadawania im pytań dotyczących tej pracy.

Informacje o czasopiśmie: GigaScience

Świadczone przez GigaScience