Suppressing estrogen signaling by a Y-linked nuclear receptor determines sex in Bombina toads

Elk levend wezen met een ruggengraat heeft een manier nodig om te beslissen of het mannetje of een vrouwtje wordt. Bij mensen en veel andere dieren is deze beslissing vastgelegd in een paar chromosomen die fungeren als een genetische schakelaar. Maar in de uitgestrekte, eeuwenoude wereld van amfibieën is deze schakelaar een mysterie gebleven. Al meer dan een eeuw weten wetenschappers dat kikkers en padden geslachtschromosomen hebben, maar zij zijn er niet in geslaagd de specifieke gen die de schakelaar omzet te vinden. Dit komt mede doordat amfibieëngenomen enorm en rommelig zijn, en hun chromosomen er onder een microscoop vaak identiek uitzien, waardoor het bijna onmogelijk is om het piepkleine genetische verschil te ontdekken dat het geslacht bepaalt. Zonder de hoofdschakelaar te kennen, kunnen we niet volledig begrijpen hoe deze dieren zich ontwikkelen of hoe nieuwe soorten evolueren.

Een team van onderzoekers heeft deze code eindelijk gekraakt voor een groep Europese en Aziatische padden bekend als Bombina. Door hoogwaardige kaarten van de volledige genetische code van de padden te bouwen, ontdekten zij dat een specifiek gen op het Y-chromosoom van het mannetje fungeert als de hoofdschakelaar. Dit gen werkt door een chemisch signaal te blokkeren dat het dier anders in een vrouwtje zou veranderen. De ontdekking onthult een nieuwe manier waarop de natuur het geslacht bepaalt, een manier die berust op het blokkeren van een hormoonroute in plaats van het activeren van een mannelijke route. Deze vondst lost niet alleen een langlopende puzzel in de amfibiebiologie op, maar biedt ook een krachtig instrument om te bestuderen hoe deze padden uiteenvallen in verschillende soorten.

De onderzoekers concentreerden zich op de vuurbuikpad en zijn nauwe verwanten, die er beroemd om bekend staan in verschillende habitats te leven en smalle zones te vormen waar ze met elkaar paren. Om het geslachtsbepalende gen te vinden, maakte het team eerst een gedetailleerd referentiegenoom voor de vuurbuikpad, een enorme taak gezien de omvang van het DNA ervan. Vervolgens vergeleken zij het DNA van mannelijke en vrouwelijke padden uit een grote stamboom, op zoek naar genetische markers die alleen bij mannetjes voorkomen. Ze vonden een klein gebied op chromosoom twee dat aanwezig was bij mannetjes maar ontbrak bij vrouwtjes. Dit gebied bevatte een gen genaamd err1Y, een kopie van een gen dat op een ander chromosoom in beide geslachten voorkomt.

De oorspronkelijke versie van dit gen, die op een gewoon chromosoom wordt gevonden, is betrokken bij het reguleren van energie en metabolisme. De nieuwe kopie, err1Y, is echter aanzienlijk veranderd. Het bevond zich op het Y-chromosoom, wat betekent dat het alleen van vader op zoon wordt doorgegeven. De onderzoekers ontdekten dat dit nieuwe gen specifiek actief is in de ontwikkelende testes van jonge mannelijke padden, precies op het moment dat zij beginnen te differentiëren. Bij vrouwtjes is dit gen volledig afwezig. Dit patroon suggereert sterk dat err1Y de hoofdschakelaar is die de ontwikkelende gonade vertelt om een testis te worden.

Om te begrijpen hoe dit gen werkt, keken het team nauwgezet naar de structuur en functie ervan. Zij ontdekten dat het err1Y-gen een verkorte versie van een eiwit produceert. In tegenstelling tot het oorspronkelijke eiwit, dat aan DNA kan binden en genen kan inschakelen, mist deze verkorte versie het deel dat nodig is om aan DNA te hechten. In plaats daarvan fungeert het als een blokkade. In het lichaam is er een natuurlijke route die wordt aangedreven door oestrogeen en die de ontwikkeling van eierstokken stimuleert. Het verkorte err1Y-eiwit bindt aan de receptoren die normaal gesproken dit oestrogeensignaal uitvoeren, waardoor het mechanisme effectief wordt geblokkeerd. Door het oestrogeensignaal te blokkeren, voorkomt het gen dat de gonade vrouwelijk wordt, waardoor het dier standaard mannelijk wordt.

De onderzoekers bevestigden dit mechanisme via een reeks experimenten. Ze toonden aan dat wanneer zij het verkorte eiwit in cellen introduceerden, het succesvol de oestrogeenroute stopzette. Ze brachten het gen ook in kaart over verschillende soorten Bombina-padden. Ze ontdekten dat het err1Y-gen aanwezig en functioneel is in alle soorten met 24 chromosomen, inclus kind de vuurbuikpad en de geelbuikpad. Echter, in soorten met 28 chromosomen is het gen defect en functioneert het niet langer als geslachtsschakelaar. Dit geeft aan dat de 24-chromosoompadden een gemeenschappelijke voorouder delen waarin dit gen voor het eerst werd aangewend om het geslacht te bepalen, en dat het sindsdien is doorgegeven.

Deze ontdekking is significant omdat het een nieuwe route onthult naar geslachtsbepaling bij poikilotherme (koudbloedige) vertebraten. In veel dieren werkt een hoofdgen door een mannelijk specifiek programma aan te zetten. In deze padden werkt het hoofdgen door het vrouwelijke programma uit te zetten. Het fungeert als een rem op de oestrogeenroute, wat ervoor zorgt dat het dier mannelijk wordt. Dit mechanisme vertegenwoordigt een nieuwe strategie voor geslachtsbepaling bij vertebraten door het hergebruik van een gedupliceerde nucleaire receptor, een route die in deze specifieke vorm nog niet eerder is gezien. De bevindingen bieden ook een duidelijke genetische marker die gebruikt kan worden om het geslacht van deze padden in elke levensfase te identificeren, wat cruciaal is voor natuurbehoud en voor het bestuderen van de interactie tussen deze soorten in het wild.

Het vermogen om het geslacht van deze padden genetisch te identificeren, opent nieuwe deuren voor het begrijpen van hoe soorten ontstaan. De Bombina-padden zijn een klassiek voorbeeld van speciatie, waarbij twee verschillende soorten naast elkaar leven en af en toe mengen. Door het Y-gebonden gen te volgen, kunnen wetenschappers nu bestuderen hoe geslachtschromosomen het proces van speciatie beïnvloeden en of zij een speciale rol spelen bij het gescheiden houden van soorten. De ontdekking van err1Y transformeert ons begrip van de amfibiebiologie, door te laten zien dat de natuur, zelfs in de meest complexe en eeuwenoude genomen, eenvoudige en elegante oplossingen kan vinden voor de fundamentele vraag over hoe men man of vrouw wordt.