Die Geschlechtsbestimmung ist ein Eckpfeiler der Biologie, doch viele Geheimnisse bleiben darüber, wie Geschlechtschromosomen sich entwickeln, insbesondere außerhalb der bekannten Systeme von Säugetieren und Vögeln. Im Gegensatz zu Säugetieren, bei denen das Geschlecht bei der Befruchtung durch XX/XY-Chromosomen festgelegt wird, bestimmen Braunalgen das Geschlecht während der Sporenbildung basierend auf U (weiblich) oder V (männlich) Geschlechtschromosomen. Trotz ihrer Bedeutung sind der Aufstieg, die Evolution und der Untergang von U/V-Geschlechtschromosomen ein Rätsel geblieben.
Diese neue Forschung zeigt, dass diese spezialisierten Geschlechtschromosomen vor 450 bis 224 Millionen Jahren entstanden sind. Eine Schlüsselerkenntnis ist die Identifizierung eines entscheidenden männlich-bestimmenden Gens, MIN, sowie von sechs weiteren geschlechtsgebundenen Kerngenen, die über diese riesigen evolutionären Zeiträume hinweg erstaunlich fast unverändert geblieben sind.
Die Studie enthüllt auch, dass der Umfang und der Geninhalt der geschlechtsbestimmenden Region in diesen Chromosomen sich einzigartig in den Braunalgen-Linien diversifiziert haben, oft durch chromosomale Umordnungen expandieren und neue, linien-spezifische Gene erwerben. Diese strukturellen Veränderungen könnten mit der zunehmenden morphologischen und reproduktiven Komplexität verbunden sein, die bei verschiedenen Braunalgenarten beobachtet wird.
Die dynamische Natur der Geschlechtsbestimmungssysteme
Die Studie hebt auch hervor, dass „verwaiste“ oder taxonomisch beschränkte Gene (Gene, die für bestimmte Linien einzigartig sind) mit unerwarteter Häufigkeit in U- und V-Chromosomen evolvieren, was ihre dynamische Natur unterstreicht. „Die U/V-Geschlechtschromosomen haben einzigartige genomische Eigenschaften, die sie anfällig für die Evolution von verwaisten Genen machen. Dieses evolutionäre Muster könnte wichtige Hinweise darauf geben, wie einzigartige Braunalgen-Gene entstanden sind“, sagte Josué Barrera-Redondo, Erstautor der Arbeit und ehemaliger Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen.
Das internationale Team, angeführt von Forschern des Max-Planck-Instituts für Biologie Tübingen, in Zusammenarbeit mit dem CNRS und dem Genoscope (Frankreich), deckte zwei überraschende Fälle auf, in denen sich das ursprüngliche U/V-Geschlechtschromosomen-System radikal verändert oder sogar verschwunden ist und sich in Autosomen umgewandelt hat. In zwei zwittrigen Arten erwarben ehemals männliche Individuen wichtige weiblich-spezifische Gene, die es ihnen ermöglichten, die Fortpflanzungsstrukturen beider Geschlechter zu entwickeln. Währenddessen verlor die Meeresalgen-Gattung Fucus das U/V-System, als ihre Linie vollständig diploid wurde. Die Forscher fanden heraus, dass neue geschlechtsbestimmende Gene das ursprüngliche V-Chromosom-Gen MIN ersetzten, was eine große Verschiebung in der genetischen Steuerung des Geschlechts markiert.
„Unsere Forschung zeigt, dass Braunalgen-Geschlechtschromosomen ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Stabilität und überraschender Flexibilität bewahren. Dies demonstriert, wie dynamisch und vielfältig die Geschlechtsbestimmung im gesamten Baum des Lebens sein kann“, erklärt die leitende Forscherin Dr. Susana Coelho, Direktorin der Abteilung für Entwicklung und Evolution der Algen am Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen.
Diese Erkenntnisse zeigen, wie Geschlechtsbestimmungssysteme kollabieren und ersetzt werden können, was demonstriert, dass selbst etwas so Grundlegendes wie „männlich“ und „weiblich“ nicht für immer festgelegt ist. Es hebt eine dynamische evolutionäre Landschaft hervor, in der sich Geschlechtsbestimmungssysteme auf unerwartete Weise entwickeln können – wie sie entstehen, sich neu erfinden, um zu bestehen, und manchmal in Autosomen umgewandelt werden. Dies bietet neue Einblicke in die sexuelle Fortpflanzung als einen der fundamentalsten Aspekte der Biologie.
Diese umfassende Untersuchung der Braunalgen-Geschlechtschromosomen erweitert unser Verständnis der U/V-Chromosomen-Evolution und positioniert Braunalgen als ein starkes Modell, um die genetische und evolutionäre Grundlage der Geschlechtsbestimmung zu erforschen.
Max-Planck-Institut für Biologie
Originalpublikation:
Barrera-Redondo, J., Lipinska, A.P., Liu, P. et al. Origin and evolutionary trajectories of brown algal sex chromosomes. Nat Ecol Evol (2025). doi.org/10.1038/s41559-025-02838-w
