Abstract Heteromorphic sex chromosomes (XY or ZW) present problems of gene dosage imbalance between the sexes, and with the autosomes. Mammalian X chromosome inactivation was long thought to imply a critical need for dosage compensation in vertebrates. However, the universal importance of sex chromosome dosage compensation was questioned by mRNA abundance measurements that demonstrated sex chromosome transcripts are neither balanced between the sexes or with autosomes in monotreme mammals or birds. Here, we demonstrate unbalanced mRNA levels of X genes in platypus males and females that correlate with differential loading of histone modifications, and confirm that transcripts of Z genes are unbalanced between males and females also in chicken. However, we found that in both species, median male to female protein abundance ratios were 1:1, implying an additional level of post-transcriptional control. We conclude that parity of sex chromosome output is achieved in birds, as well as all mammal groups, by a combination of transcriptional and post-transcriptional control, consistent with an essential role for sex chromosome dosage compensation in vertebrates.

Heteromorphic sex chromosomes (XY or ZW) present problems of gene dosage imbalance between sexes and with autosomes. A need for dosage compensation has long been thought to be critical in vertebrates. However, this was questioned by findings of unequal mRNA abundance measurements in monotreme mammals and birds. Here, we demonstrate unbalanced mRNA levels of X genes in platypus males and females and a correlation with differential loading of histone modifications. We also observed unbalanced transcripts of Z genes in chicken. Surprisingly, however, we found that protein abundance ratios were 1:1 between the sexes in both species, indicating a post-transcriptional layer of dosage compensation. We conclude that sex chromosome output is maintained in chicken and platypus (and perhaps many other non therian vertebrates) via a combination of transcriptional and post-transcriptional control, consistent with a critical importance of sex chromosome dosage compensation.

Abstract Development of the vertebrate antral stomach and pyloric sphincter (antropyloric region) – involved in enzymatic breakdown and thoroughfare of food - is underpinned by a highly conserved developmental pathway involving the hedgehog, bone morphogenetic protein (BMP) and Wingless/Int-1 (Wnt) protein families. Monotremes are a unique lineage where acid-based digestion has been lost, and this correlates with a lack of genes for gastric acid and enzymes in the genomes of the platypus ( Ornithorhynchus anatinus ) and short-beaked echidna ( Tachyglossus aculeatus ). Furthermore, these species feature unique gastric phenotypes, both with truncated and aglandular antral stomachs and the platypus with no pylorus. Here, we explore the genetic underpinning of monotreme gastric phenotypes, investigating genes important in antropyloric development using the newest monotreme genome sequences (mOrnAna1.pri.v4 and mTacAcu1) together with RNA-seq data. We found that the pathway is generally conserved but, NK3 homeobox 2 ( Nkx3.2 ) was pseudogenised in both platypus and echidna. We speculate that pyloric-like restriction in the echidna may correlate with independent evolution of Grem1 and Bmp4 sequences, and that the convergent loss of gastric acid and stomach size genotypes and phenotypes in teleost and monotreme lineages may be a result of eco-evolutionary dynamics. These findings reflect the effects of gene loss on phenotypic evolution and further elucidate the genetic control of monotreme stomach anatomy and physiology.

The enzymatic breakdown and regulation of food passage through the vertebrate antral stomach and pyloric sphincter (antropyloric region) is a trait conserved over 450 million years. Development of the structures involved is underpinned by a highly conserved signalling pathway involving the hedgehog, bone morphogenetic protein and Wingless/Int-1 (Wnt) protein families. Monotremes are one of the few vertebrate lineages where acid-based digestion has been lost, and this is consistent with the lack of genes for hydrochloric acid secretion and gastric enzymes in the genomes of the platypus ( Ornithorhynchus anatinus ) and short-beaked echidna ( Tachyglossus aculeatus ) . Furthermore, these species feature unique gastric phenotypes, both with truncated and aglandular antral stomachs and the platypus with no pylorus. Here, we explore the genetic underpinning of monotreme gastric phenotypes, investigating genes important in antropyloric development using the newest monotreme genomes (mOrnAna1.pri.v4 and mTacAcu1) together with RNA-seq data. We found that the pathway constituents are generally conserved, but surprisingly, NK3 homeobox 2 ( Nkx3.2 ) was pseudogenized in both platypus and echidna. We speculate that the unique sequence evolution of Grem1 and Bmp4 sequences in the echidna lineage may correlate with their pyloric-like restriction and that the convergent loss of gastric acid and stomach size genotypes and phenotypes in teleost and monotreme lineages may be a result of eco-evolutionary dynamics. These findings reflect the effects of gene loss on phenotypic evolution and further elucidate the genetic control of monotreme stomach anatomy and physiology.

The sex chromosomes of egg-laying mammals (monotremes), which lack the sex determining gene SRY, evolved independently to those of all therian mammals. Here we characterise the candidate monotreme sex determining gene, the Y-localised anti-Müllerian hormone gene (AMHY) and trace its expression during the period of sexual differentiation. Monotreme AMHX and AMHY gametologues have significant sequence divergence at the promoter, gene and protein level, likely following an original allele inversion in the common monotreme ancestor but retain conserved features of TGF-β molecules. Expression of sexual differentiation genes in the echidna fetal gonad were significantly different from that of therian mammals. AMHY expression was seen exclusively in the male gonad during sexual differentiation, whereas AMHX was expressed in both sexes. Experimental ectopic expression of platypus AMHX or AMHY in the chicken embryo did not masculinise the female urogenital system, a possible result of mammalian specific changes to AMH proteins preventing function in the chicken. Our results provide fundamental insight into the first steps of monotreme sex chromosome evolution and sex determination with developmental expression data strongly supporting AMHY as the primary male sex determination gene.