Двойные драконы помогают объяснить определение пола у рептилий

Два независимых исследования, опубликованные в GigaScience, представляют почти полные референсные геномы центральной бородатой агамы (Pogona vitticeps). Этот вид имеет необычную черту: пол ящерицы зависит не только от генетики, но и от температуры в гнезде.

Это давно делает её полезной моделью для изучения биологической основы определения пола. Новые технологии в геномике позволили обнаружить регион генома и потенциальный главный ген определения пола, вероятно, ключевой для мужской половой дифференцировки. Независимое подтверждение этого двумя разными группами усиливает значимость открытия.

Необычная система определения пола

У бородатых агам система определения пола находится под влиянием как генетических факторов, так и температуры окружающей среды.

В отличие от большинства животных, где пол определяется исключительно хромосомами, у бородатых агам пол может быть реверсирован с мужского на женский под действием высокой температуры инкубации. Это означает, что ящерица с мужскими хромосомами (ZZ) может развиться в репродуктивно функциональную самку.

Как у птиц и многих рептилий, у этого вида система половых хромосом ZZ/ZW: самки имеют пару различных ZW-хромосом, а самцы — две одинаковые ZZ-хромосомы.

Определение пола осложнено тем, что генетические самцы ZZ могут стать фенотипическими самками при высокой температуре инкубации без участия W-хромосомы или W-связанных генов.

Новые технологии секвенирования

Современные технологии ультрадлинного нанопорового секвенирования (nanopore) теперь позволяют получать теломер-теломерные (T2T) сборки половых хромосом и идентифицировать нерекомбинирующие регионы. Это помогает сузить круг генов-кандидатов, определяющих пол.

Первое исследование (BGI, Китайская академия наук, Чжэцзянский университет) использовало короткие риды DNBSEQ в сочетании с длинными ридами нового секвенатора CycloneSEQ — это первый опубликованный геном животного с использованием этой технологии.

Второй геном был собран под руководством исследователей из Университета Канберры (Австралия) с использованием PacBio HiFi, ONT ultralong reads и Hi-C секвенирования.

Наличие референсных геномов, созданных с помощью двух разных технологий, впервые позволяет провести их прямое сравнение. Обе технологии также дополняют друг друга в исследовании определения пола разными подходами.

Ключевые результаты

  • Первый проект отсеквенировал геном самца (ZZ), чтобы впервые охарактеризовать всю Z-хромосому.
  • Второй проект собрал геном самки (ZW).
  • Новый нанопоровый секвенатор позволил обнаружить около 124 миллионов пар оснований ранее неизвестных последовательностей (почти 7% генома), включая многочисленные гены и регуляторные элементы.
  • Оба проекта создали высококачественные сборки генома размером 1.75 Gbp, собрав почти все теломеры.
  • Z- и W-хромосомы были собраны в единые скаффолды. На хромосоме 16 был обнаружен "псевдоаутосомный регион" (PAR), где половые хромосомы спариваются и рекомбинируют.

Гены-кандидаты

Обе исследовательские группы независимо друг от друга указали на один и тот же регион определения пола (SDR) и выделили одни и те же гены-кандидаты:

Изучение экспрессии на разных стадиях развития показало, что Amh имеет значительную экспрессию, смещённую в сторону мужского пола, что делает его наиболее вероятным кандидатом на роль главного гена определения пола.

Гены Amh и кодирующий его рецептор AMHR2 были скопированы на Z-хромосому в нерекомбинирующем регионе. Это делает их очевидными кандидатами для работы по дозозависимому механизму у этого вида: двойная доза в самце ZZ и одинарная в самке ZW.

До сих пор у рептилий не был обнаружен главный ген определения пола, аналогичный Sry у млекопитающих или Dmrt1 у птиц. Эта новая работа предоставляет чёткого кандидата — Amh.

Значение и перспективы

Артур Джордж из Университета Канберры, старший автор второй статьи: «Мы ожидаем ускорения исследований в других областях благодаря этим новым сборкам, таких как развитие черепа, мозга, поведенческие исследования, взаимодействия ген-ген и ген-среда в сравнительных исследованиях определения пола у позвоночных».

Цие Ли из BGI, старший автор первой статьи: «Два референсных генома, полученные от особей противоположного пола с помощью разных технологий, действительно дополняют друг друга... Оба генома указывают на ключевую роль сигнального пути AMH в определении пола у этого вида».

Наличие двух независимых проектов, находящих одни и те же ключевые гены-кандидаты, значительно повышает уверенность в этих результатах. Открытый доступ ко всем данным позволит другим учёным развивать эту работу. Создание этих двух высококачественных сборок генома — огромный шаг вперёд в понимании полного механизма определения пола у этого вида.