• Krokodil_Geschlechtsbestimmung

HINTERGRUND UND EVOLUTIONÄRE VORTEILE DER TEMPERATURABHÄNGIGEN GESCHLECHTSBESTIMMUNG BEI KROKODILEN

Einleitung

Die, von den Menschen und Säugetieren bekannte, genetische oder auch chromosomale Geschlechtsbestimmung, die auf dem Bestand der Geschlechtschromosomen basiert, ist nicht die einzige Art der Geschlechtsdetermination. Bei einigen Reptilien werden die Geschlechter durch eine sogenannte modifikatorische Geschlechtsbestimmung determiniert. Bei dieser Form bestimmen Umweltfaktoren, wie z.B. Ernährung, Temperatur oder Lichtverhältnisse, das Geschlecht. Die Nachkommen besitzen trotz gleicher genetischer Erbanlagen einen unterschiedlichen Phänotyp, d.h. der Geschlechtsunterschied ist im äußeren Erscheinungsbild erkennbar. Auch bei Krokodilen handelt es sich um eine modifikatorische Geschlechtsdetermination, der sogenannten Temperaturabhängigen Geschlechtsdetermination (TGD). Während die chromosomale Geschlechtsbestimmung weitestgehend zufällig abläuft, können bei Krokodilen bereits geringe Temperaturunterschiede darüber entscheiden, ob ein Männchen oder Weibchen ausgebrütet wird.

Die Geschlechtsbestimmung ist für die Fortpflanzung einer Art von zentraler Bedeutung. Während dieses Schrittes wird im Embryo die Differenzierung von Männchen und Weibchen eingeleitet. Es gibt eine bemerkenswerte Vielfalt von Mechanismen, durch die Geschlechtsbestimmung erreicht werden kann.

Temperaturabhängige Geschlechtsbestimmung im Allgemeinen

Die Temperaturabhängige Geschlechtsdetermination (TGD) ist eine umweltbedingte Geschlechtsbestimmung, bei der das Geschlecht der Nachkommen von der im Nest vorherrschenden Temperatur während der Embryonal-/ Larvenentwicklung bestimmt wird. Diese art von Geschlechtsbestimmung ist nur bei einigen Reptilienarten und sogenannten Echten Knochenfischen vorherrschend. Das Geschlecht des Nachwuchses wird nicht durch das vorhanden sein bestimmter Geschlechtschromosomen ausgebildet, sondern aufgrund der Temperatur, die für den arttypisch spezifischen Zeitraum, der Thermosensitiven Periode (TSP), im Nest vorhanden ist.

Über die Temperatur im Nest entscheidet die Bauart und Tiefe des Nestes. Bei der Eierablage ist die Tiefe, in der die Eier abgelegt werden, ausschlaggebend für die Temperatur, in der die Eier gebrütet werden.

Diese Art von modifikatorischer Geschlechtsbestimmung ist die am meisten erforschte.

Typen der Geschlechtsbestimmung

Bei dieser Art von Geschlechtsdetermination wurden zwei verschiedene Typen entdeckt, Typ 1 und Typ 2, wobei Typ 1 zusätzlich in Typ 1a und Typ 1b gegliedert ist. Bei diesen zwei Typen der Geschlechtsbestimmung gibt es zwei verschiedene Muster. Das erste Muster enthält eine einzelne Übergangszone, die über die Entwicklung des Geschlechts entscheidet, bei dem zweiten Muster gibt es zwei Übergangszonen, an denen sich das Geschlecht entscheidet.

Unter Wissenschaftlern wird spekuliert, dass eigentlich alle Typen der TGD unter den Typ 2 fallen, es jedoch Spezies gibt, die die nötigen hochen Temperaturen für die zweite Übergangszone nicht erreichen können. Diese Spezies entwicklen sich deshalb über den Typ 1.

Typ 1a

Bei dem Typ 1a gibt es eine einzelne Übergangszone. Unterhalb dieser Zone schlüpfen überwiegend männliche Tiere aus den Eiern. Liegt die Temperatur beim Brüten oberhalb dieser Temperaturgrenze, schlüpfen überwiegend weibliche Tiere aus den Eiern.

Dieser Typ tritt überwiegend bei Schildkröten auf. Ein Temperaturbereich von nur 1-2 °C ändert hier schon das Geschlecht.

Typ 1b

Bei dem Typ 1b gibt es ebenfalls eine einzelne Übergangszone. Unterhalb dieser Zone schlüpfen überwiegend weibliche Tiere aus den Eiern. Liegt die Temperatur beim Brüten oberhalb dieser Temperaturgrenze, schlüpfen überwiegend männliche Tiere aus den Eiern. Typ 1b stellt also das Gegenteil von Typ 1a dar.

Dieser Typ kommt vor allem beim Tuatara vor.

Typ 2

Bei dem Typ 2 gibt es zwei Übergangszonen. Unterhalb und oberhalb dieser Temperaturgrenzen schlüpfen überwiegend Weibchen aus den Eiern. Liegt die Temperatur zwischen diesen Temperaturgrenzen, schlüpfen überwiegend männliche Tiere.

Gemischte Geschlechtsverhältnisse und intersexuelle Tiere wurden bei oder nahe der entscheidenden Temperaturen der Geschlechtsbestimmung für die jeweilige Tierart beobachtet.

Dieser Typ tritt bei einigen Schildkröten, Eidechsen und Krokodilen auf.

Thermosensitive Periode (TSP)

Die Temperaturempfindliche oder auch Thermosensitive Periode (TSP) ist die Periode während der Entwicklung, in der das Geschlecht des Embryos irreversibel bestimmt wird. Diese Periode erstreckt sich normalerweise über das mittlere Drittel der Inkubation. Es reichen oftmals Temperaturimpulse während der Temperaturempfindlichen Phase aus, um das Geschlecht des Embryos zu bestimmen. Nach der TSP reagiert das Geschlecht allerdings nicht mehr auf Temperatureinflüsse. Eine Geschlechtsumkehrung aufgrund von Temperaturschwankungen nach der Thermosensitiven Periode ist daher nicht möglich.

Das Enzym Aromatase

Die Aromatase (CYP19A1) ist ein Enzym, das in Wirbeltieren die Umsetzung von Testosteron zu Östrogen katalysiert und außerdem verantwortlich für die Temperaturabhängige Geschlechtsdetermination (TGD) ist. Die Aktivität der Aromatase nimmt mit steigender Temperatur zu. Bei höheren Temperaturen entsteht z. B. bei Schildkröten somit eher ein weiblicher Geschlechtsphänotyp, bei niedrigen eher ein männlicher.

Aromatase ist in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums (ER) von Zellen verschiedener Gewebe lokalisiert. Es findet sich in den Gonaden, der Plazenta, der Brustdrüse, dem Fettgewebe und auch im Gehirn sowie in Haut, Knochen und Blutgefäßen.

Bei allen Krokodilarten wird das Geschlecht nicht durch genetische Mechanismen bestimmt, sondern durch die Temperatur, bei der das Ei bebrütet wird. Beispielsweise ist beim Amerikanischen Alligator (Alligator mississippiensis) die Thermosensitive Periode (TSP) für die Geschlechtsbestimmung ein Zeitfenster von 7 - 10 Tagen innerhalb der Stadien 21 - 24 der Entwicklung. Dies ist etwa in der Mitter der Inkubationszeit.

Molekularer Hintergrund

Um TGD besser verstehen zu können, konzentriert sich die Forschung im Moment hauptsächlich darauf die molekularen Hintergründe der Temperaturabhängigen Geschlechtsdetermination darzulegen.

In einer Studie untersuchten Yatsu et al., basierend auf einem zuvor entdeckten thermosensorischen Mechanismus, die TRP (transiente Rezeptorpotential) - Kationenkanal – Unterfamilie genauer (Yatsu et al., 2015). Die Ionenkanäle dieser Unterfamilie V fungieren als Rezeptoren, die durch eine Vielzahl äußerer und innerer Stimuli aktiviert werden können. Die von ihnen erfassten Informationen werden über Signalwege unter Verwendung von Calcium - Ionen übermittelt (Gees et al., 2012). Unter diesen Kanälen gibt es mehrere, die wärmeempfindlich sind. Von diesen wärmeempfindlichen Kanälen erwies sich derTRPV 4 - Kanal als der am besten geeignete für ihre Experimente, da er durch Temperaturen zwischen 27 - 35°C aktiviert wird (Güler et al., 2002). Dieser Bereich deckt die Inkubationstemperaturen der meisten Tierarten, bei denen das Geschlecht aufgrund der Temperaturabhängigen Geschlechtsdetermination (TGD) bestimmt wird, am besten ab. Während der Forschung wurden Alligatorenembryonen von Individuen entnommen, die in verschieden Entwicklungsstadien sowohl während MPT (Male Producing Temperatures) als auch FPT (Female Producing Temperatures) inkubiert wurden. Mittels PCR (Polymerase chain reaction) konnten sie Proteine nachweisen, die bei den Alligatoren TRPV4 - Kanäle bilden, die sich in den beiden Geschlechtern während der Entwicklungsstadien unterschiedlich ausgebildet haben. In der bei FPT (Female Producing Temperatures) entnommen Probe nahm die Menge an TRPV4 - Proteine mit zunehmender Entwicklung des Embryos ab. Daraus wurde geschlossen, dass diese Arten von Ionenkanälen wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Entwicklung männlicher Nachkommen spielen. Auch in dieser Studie wurden bei unterschiedlichen Temperaturen inkubierte Embryonen mit einem Agonisten (GSK1016790A) und einemAntagonisten (RN1734) von TRPV4 -Kanälen behandelt. Bei MPT (Male Producing Temperatures) zeigten mit dem RN1734 - Antagonisten behandelte Tiere eine Herunterregulierung von AMH (Anti - Müller Hormon) und Sox-9 durch quantitative RT - PCR (real time Polymerase chain reaction) Messungen. Das Anti - Müller Hormon gibt Aufschluss darüber, wie viele Eizellen ein geschlechtsreifes Weibchen produziert. Ein niedriger AMH-Wert lässt deshalb darauf schließen, dass das Weibchen zu wenige Eizellen für das entsprechende Alter produziert. Sox-9 ist ein Transkriptionsfaktor, der essentiell für eine normale Differenzierung der Hoden und die Entwicklung des Skeletts und anderer Organe ist. Außerdem ist Sox-9 auch für die Aktivierung des Anti - Müller Hormons zuständig.

Phänotypische Fehlbildungen konnten mit dieser Methode nicht erreicht werden, lediglich abnorme Geschlechtsveränderungen in den sich entwickelnden männlichen Keimdrüsen konnten bei der histologischen Untersuchung nachgewiesen werden. Dies unterstützt auch, dass davonausgegangen wird, dass TRPV4 - Kanäle keine Rolle bei der Entwicklung von Frauen spielen. Die Hypothese wird dadurch weiter bestätigt, dass bei den mit dem GSK1016790A - Agonisten auf FPT behandelten Probanden keine Veränderung in der Menge des CYP19A1 - Aromataseenzyms festgestellt wurde, dass jedoch eine Hochregulierung des Transkriptionsfaktors Sox-9 durch immunhistochemische Untersuchungen nachgewiesen werden konnte.

Basierend auf diesen Ergebnissen kamen die Wissenschaftler zu dem Entschluss, dass TRPV4 – Ionenkanäle nur ein Teil einer viel größeren und komplexeren Kaskade sind, die den molekularen Hintergrund von der temperaturabhängigen Geschlechtsdetermination formt (Yatsu et al., 2015).

Folgen des Klimawandels

Der Klimawandel stellt eine neue, einzigartige Bedrohung für Arten dar, die von der Temperaturabhängigen Geschlechtsdetermination abhängig sind. Die Erwärmung der Lebensräume von Arten die Temperaturabhängige Geschlechtsdetermination (TGD) aufweisen, beginnt sich auf ihr Verhalten auszuwirken und könnte bald beginnen ihre Physiologie zu beeinflussen. Einige Arten haben begonnen früher im Jahr zu nisten, um das Geschlechtsverhältnis zu bewahren. Durch den Klimawandel könnten sich die drei Merkmale der TGD: die Temperatur, bei der das Geschlechtsverhältnis 50% beträgt, die Wahl des mütterlichen Nistplatzes und die Nistphänologie ändern. Allerdings dauert es sehr lange bis sich solche Eigenschaften verändern, weshalb der Klimawandel viele Arten zum Aussterben bringen wird, die nicht schnell anpassbar sind.

Temperaturabhängige Geschlechtsbestimmung beim Krokodil

Die Temperaturabhängige Geschlechtsdetermination (TGD) erfolgt beim Krokodil über die im Nest vorhandene Temperatur während der Entwicklung der Embryonen. Die Art und Tiefe des Nestbaus und die dafür verwendeten Pflanzen spielen hierbei eine wichtige Rolle, da beide Faktoren entscheidend für die im Nest vorhandene Temperatur sind.

Typ der Geschlechtsbestimmung

Die Geschlechtsbestimmung erfolgt bei Krokodilen auf der Grundlage des Typs 2 der Temperaturabhängigen Geschlechtsdetermination.

Unterhalb der ersten Temperaturgrenze entwickeln sich hauptsächlich weibliche Tiere. Zwischen den beiden Temperaturgrenzen entwickeln sich überwiegend männliche Tiere. Steigt die Temperatur über die zweite Temperaturgrenze entwickeln sich wieder überwiegend weibliche Tiere.

Die Temperaturbereiche sind bei jeder Spezies der Krokodile unterschiedlich, wie in der folgenden Tabelle ( Tabelle 2) veranschaulicht wird.

NE = keine Informationen

Evolutionäre Vorteile

Obwohl die Forscher sich seit Jahrzehnten mit den Prozessen der Temperaturabhängiger Geschlechtsdetermination befassen, wurden die Vorteile von TGD selbst noch nicht bewiesen und belegt. Einigen Annahmen zufolge ist diese Fortpflanzungsart lediglich eine alte Form, die möglicherweise in Arten überlebt hat, die eine Art Sackgasse der Evolution darstellen. Allerdings gibt es auch verschieden Theorien die auch Vorteile der TGD sehen.

Ein Phänomen, wie die temperaturabhängige Geschlechtsbestimmung, wurde nicht ohne Grund von der Natur geschaffen. Diese Form von Geschlechtsdetermination bringt einige evolutionäre Vorteile mit sich.

Da die Temperatur und somit der Bau und die Tiefe des Nestes bestimmen, ob ein Wurf aus überwiegend Weibchen oder Männchen entsteht, verringert sich die Möglichkeit der Inzucht, da sich die Chance von Nachkommen zweier Geschwister erniedrigt. Auch für die generelle Verteilung der Geschlechter ist es vorteilhaft, dass die Mutter durch die Art und Bau des Nestes bestimmen kann, welches Geschlecht in der Mehrheit entsteht. Wenn also zum Beispiel ein Mangel an Männchen besteht, können die tragenden Tiere die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass wieder mehr Männchen schlüpfen. Das Baumaterial für das Nest spielt eine ausschlaggebende Rolle hierbei, da ein Unterschied zwischen gärendem und nicht - gärendem Material gemacht werden kann, wobei Ersteres bei seinem Prozess Hitze abgibt und somit förderlich für den Schlupf von Weibchen ist.

Ein weiterer Vorteil der möglichen Variation der Nestbauart und der Bestimmung, der im Nest vorherrschenden Temperatur, besteht darin, dass die Krokodilweibchen so die Möglichkeit haben die Temperatur der Außenwelt auszugleichen. Krokodile können sich also sowohl in wärmere als auch kältere Gebiete ausbreiten ohne Gefahr zu laufen rein männliche oder rein weibliche Populationen zu erzeugen. Obwohl der Klimawandel eine große negative Auswirkung auf viele Tierarten und deren Populationen hat, können Krokodile diesem Problem so entgegenwirken, in dem sie ihre alten Lebensräume verlassen und in kältere Gebiete auswandern.

Da Krokodile unter den Typ 2 der temperaturabhängigen Geschlechtsbestimmung fallen, entstehen Weibchen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen, wohingegen Männchen sich nur bei mittleren Temperaturen entwickeln. Dies führt zu einem verzerrten Geschlechtsverhältnis von fünf Weibchen zu einem Männchen. Der Vorteil hierbei besteht darin, dass sich so die Fortpflanzungsfähigkeit der Krokodile erhöht. Dies lässt sich mit der polygynen Lebensweise dieser Tierart begründen.Polygynie bezeichnet ein Paarungsverhalten, in dem sich ein Männchen mit möglichst vielen Weibchen paart. Als Ergebnis entsteht so die größtmögliche Anzahl an Nachkommen, was eine große Bedeutung für die Population der Krokodile hat, da durchschnittlich nur 5 – 10% der Jungkrokodile das Erwachsenenalter erreichen. Würden sich Krokodile aufgrund der chromosomalen Geschlechtsbestimmung, wie z.B. die Menschen, entwickeln, würde ein Geschlechtsverhältnis von 1:1 entstehen.

Ein weiterer Vorteil lässt sich aus dem Typ der Geschlechtsbestimmung und der Paarungszeit der Krokodile erkennen. Krokodile paaren sich von Anfang April bis Ende Juni. Aufgrund des deutlichen Temperaturunterschieds in diesen Monaten kann man davon ausgehen, dass im April und Juni mehr Weibchen und im Mai mehr Männchen aus den Eiern schlüpfen. Dies liegt daran, dass im April die Temperaturen noch unterhalb der ersten Übergangszone liegen und im Juni, am Ende der Paarungszeit, die Temperaturen bereits so angestiegen sind, dass sie oberhalb der zweiten Übergangsgrenze liegen. In der mittleren Periode der Paarungszeit liegt die Temperatur zwischen den beiden Übergangszonen, sodass sich hier überwiegend männliche Nachkommen entwickeln. Dies führt dazu, dass die am Anfang der Paarungszeit gezeugten Weibchen bis zur nächsten Paarungsperiode mehr Zeit zum Wachsen haben und in einem so entstandenen, größeren Körper die Möglichkeit haben mehr Eier zu entwickeln und auszubrüten, also mehr Nachkommen zu erzeugen.

Insgesamt kann man sagen, dass sich die evolutionären Vorteile der temperaturabhängigen Geschlechtsbestimmung bei Krokodilen darin auszeichnen, dass sie Vorteile für die ganze Population und nicht nur für ein einzelnes Krokodil darstellen, was wichtig für das Fortbestehen der jeweiligen Spezies ist.

Literaturverzeichnis

1. Czajka-Oraniec, I., & Simpson, E. R. (2010). Aromatase research and its clinical significance. Endokrynol Pol., 61(1), S. 126-340.

2. De Santa Barbara, P., Bonneaud, N., Boizet, B., Desclozeaux, M., Moniot, M., Sudbeck, P., . . . Berta, P. (November 1998). Die direkte Interaktion des SRY-verwandten Proteins SOX9 und des steroidogenen Faktors 1 reguliert die Transkription des menschlichen Anti-Müller-Hormon-Gens. Moleculr and Cellular Biology, 18(11), S. 6653-6665.

3. Deveson, I. W., Holleley, C. E., Blackburn, J., Marshall Graves, J. A., Mattick, J. S., Waters, P. D., & Georges, A. (14. Juni 2017). Differential intron retention in Jumonji chromatin modifier genes is implicated in reptile temperature-dependent sex determination. Sciense Advances, 3(6). doi:10.1126/sciadv.1700731

4. Ferguson, M. J. (2009). Temperature dependent sex determination in Alligator mississippiensis. Journal of Zoology, 200(2), S. 143-177.

5. Gees, M., Colsoul, B., & Nilius, B. (Oktober 2010). The role of transient Receptor Potential Cation Channels in Ca2+ SIgnaling. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2(10). doi:10.1101/cshperspect.a003962

6. Gleicher, N., Weghofer, A., & Barad, D. H. (Dezember 2010). Anti-Müllerian hormone (AMH) defines, independent of age, low versus good live-birth chances in women with severely diminished ovarian reserve. Fertil Steril, 94(7), S. 2824-7.

7. González, E. J., Martínez-López, M., Morales-Garduza, M. A., García-Morales, R., Charruau, P., & Gallardo-Cruz, J. A. (2019). The sex determination pattern in crocodilians: a systematic review of three decades of research. Journal of Animal Ecology, 88(9), S. 1417-1427.

8. Güler, A. D., Lee, H., Iida, T., Shimizu, I., Tominaga, M., & Caterina, M. (1. August 2002). Heat-evoked activation of the ion channel, TRPV4. Journal of science, 22(15), S. 6408-6414.

9. Jeyasuria, P., & R. Place, A. (01. August 1998). Embryonic brain-gonadal axis in temperature-dependent sex determination of reptiles: A role for P450 aromatase (CYP19). Journal of Experimental Zoology, 281(5), S. 428-49.

10. Lephart, E. D., & Simpson, E. R. (1991). Assay of aromatase activity. Methods in Enzymology, 206, S. 477-483.

11. Milnes Jr, M. R., Roberts, R. N., & Guillette Jr, L. J. (Juni 2002). Effects of incubation temperature and estrogen exposure on aromatase activity in the brain and gonads of embryonic alligators. Environ Health Perspect, 110(3), S. 393-396.

12. Smith, C. A., Elf, P. K., Lang, J. W., & Joss, J. M. (April 1995). Aromatase enzyme activity during gonosal sex differentiation in alligator embryos. Differentiation, 58(4), S. 281-290.

13. Tiwary, B., & Li, W.-H. (Januar 2009). Parallel evolution between aromatase and androgen receptor in the animal kingdom. Molecular Biology and Evolution, 26(1), S. 123-129.

14. Warner, D. S. (2008). The adaptive significantce of temperature-dependent sex determination in a reptile. Nature, 451(7178), S. 566-568.

15. Yatsu, R., Miyagawa, S., Kohno, S., Parrott, B. B., Yamaguchi, K., Ogino, Y., . . . Iguchi, T. (25. Januar 2016). RNA-seq analysis of the gonadal transcriptome during Alligator mississippiensis temperature-dependent sex determination and differentiation. BMC Genomics. doi:https://doi.org/10.1186/s12864-016-2396-9

Abbildungsverzeichnis

Tabelle 1: Schematische Darstellung der Temperaturübergangszonen; selbst angefertigt von Lisa-Marie Tillmann

Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung eines Krokodilnestes: https://en.wikipedia.org/wiki/Temperature-dependent_sex_determination#/media/File:Different_case_of_temperature_dependent_sex_determination.png mit Veränderungen bezüglich der sich entwickelnden Geschlechter

Tabelle 2: Temperaturübergangszonen einiger Krokodilarten; erstellt von Luisa Urland inspiriert von: https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1365-2656.13037