Dynamiczne ewolucyjne określanie płci u Branchiostoma belcheri napędzane wielokrotną transpozycją pojedynczego nowego genu

Jak maleńki stworzenie morskie miesza reguły bycia samcem lub samicą

W większości podręczników szkolnych płeć przedstawiana jest jako prosta sprawa chromosomów X i Y, ale w dużej części świata żywego zasady są znacznie bardziej płynne. W tym badaniu zbadano niewielkie, przypominające rybę zwierzę zwane amphioxusem, bliskiego krewnego kręgowców, i odsłoniono niespodziewanie dynamiczny system decydowania o płci. Śledząc przemieszczanie się pojedynczego genu w całym genomie, autorzy pokazują, jak przełączniki determinujące płeć mogą powstawać, przesuwać się i częściowo tracić funkcję — wszystko to w obrębie jednego gatunku.

Proste zwierzę ze złożonym przełącznikiem płci

Amphioxus, czyli lancetnik, żyje zakopany w płytkim piasku i zajmuje kluczowe miejsce na drzewie ewolucyjnym między bezkręgowcami a kręgowcami. Wcześniejsze badania wykazały, że kilka gatunków amphioxusa, w tym Branchiostoma belcheri, ma system ZW, gdzie samice niosą chromosomy Z i W, ale te chromosomy wyglądają pod mikroskopem niemal identycznie. Utrudnia to dokładne określenie regionów DNA decydujących o płci. Korzystając z nowych, wysokiej jakości złożeń genomu od wielu osobników B. belcheri, badacze ponownie zbadali, gdzie leżą regiony determinujące płeć i jak różnią się między samcami a samicami.

Jeden kluczowy gen, skopiowany i przeniesiony

Zespół skupił się na genie nazwanym tesD, który jest aktywny tylko w jądrach u trzech gatunków amphioxusa. Przy użyciu edycji genów CRISPR w spokrewnionym gatunku B. floridae unieczynnili tesD. Genetyczni samcy pozbawieni funkcjonalnego tesD przestawali tworzyć jądra i zamiast tego rozwijali jajniki, pozostając przy tym ogólnie zdrowi. To pokazuje, że tesD jest niezbędny i specyficzny dla rozwoju męskiego, działając jako główny przełącznik w ścieżce prowadzącej do organów produkujących plemniki. Co ciekawe, podobne geny brakują u kręgowców, co sugeruje, że jest to starożytne rozwiązanie strunowców, które później zostało zastąpione w naszej linii ewolucyjnej.

Dwa regiony występujące tylko u samic powstałe z „skaczącego” DNA

U samego B. belcheri autorzy odkryli nie jeden, lecz dwa odrębne regiony specyficzne dla samic na chromosomie 13. Oba regiony zawierają dodatkowe kopie tesD, nazwane tesDwa i tesDwb. Kopie te nie powstały przez proste zduplikowanie obok genu oryginalnego; zamiast tego zostały przeniesione przez ruchome fragmenty DNA zwane transpozonami, które potrafią wycinać się i wklejać w różne miejsca genomu. Jeden region determinujący płeć wylądował wewnątrz genu nazwanego twai, a drugi włożony został na końcu genu vps9c. Badania genetyczne i celowane testy PCR wykazały, że około połowa samic nosi starszy region z tesDwa, a druga połowa nosi nowszy region z tesDwb, podczas gdy samce zwykle nie mają żadnego z nich.

Jak skopiowane geny pomagają tworzyć samice

Pozornie paradoksalne jest posiadanie dodatkowych kopii genu promującego płeć męską na chromosomie W samic. Wyjaśnienie tkwi w sposobie użycia tych kopii. W jajnikach kopie powiązane z W, tesDwa i tesDwb, są odczytywane w kierunku przeciwnym do oryginalnego autosomalnego tesD, produkując długie niekodujące RNA zamiast białka. Te długie RNA antysensowe nakładają się na normalny transkrypt tesD i są transkrybowane razem z genami-gospodarzami, co sugeruje, że przejmują lokalne promotory. Obecność tych antysensownych RNA koreluje z wyciszeniem oryginalnego genu tesD na poziomie DNA u samic, co pokazały testy dostępności chromatyny. W efekcie kopie powiązane z W działają jak czynniki wyciszające, wyłączając męski przełącznik i kierując rozwój ku jajnikom.

Kiedy przełącznik płci skacze i milknie

Młodszy region zawierający tesDwb nadal jest mobilny. Otaczające go transpozony zawierają nienaruszone struktury powtórzeń wskazujące na niedawną aktywność, a autorzy znaleźli osobniki, w których ten kasetowy element przeskoczył z chromosomu W na zwykłe (autosomalne) chromosomy, w tym na telomer i do intronu innego genu. W tych nowych lokalizacjach jednak tesDwb nie jest transkrybowany, jego wyciszający wpływ na tesD zostaje utracony i przestaje korelować z płcią. Około 5–10% zarówno samców, jak i samic nosi takie „ciche” kopie, ilustrując, jak mobilne moduły determinujące płeć mogą się rozprzestrzeniać, stawać się nieaktywne i być potencjalnie zastępowane w czasie ewolucyjnym.

Co to oznacza dla ewolucji płci

Dla osoby niewyszkolonej główne przesłanie jest takie, że określanie płci nie jest raz na zawsze ustalone, nawet w obrębie jednego gatunku. U B. belcheri pojedynczy gen tworzący samce, tesD, został skopiowany, przeniesiony przez „skaczące” DNA i przerobiony, by pomagać w tworzeniu samic przez blokowanie własnej aktywności. Stare i nowe regiony determinujące płeć współistnieją, a nowszy wciąż przemieszcza się po genomie. Tego rodzaju trwające przemieszczanie się może pomóc wyjaśnić, dlaczego wiele zwierząt zachowuje chromosomy płciowe wyglądające zwyczajnie, bez silnej degeneracji obserwowanej w ludzkim chromosomie Y, i oferuje żywy obraz tego, jak rodzą się i konkurują nowe systemy determinujące płeć w czasie ewolucji.

Cytowanie: Li, H., Liu, F., Li, J. et al. Evolutionary dynamics of sex determination in Branchiostoma belcheri driven by repeated transposition of a single novel gene. Nat Commun 17, 1616 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68322-6

Słowa kluczowe: określanie płci, strunowiec lancelet (amphioxus), elementy transpozonowe, lncRNA, genetyka ewolucyjna