Abstract Teleost fishes, thanks to their rapid evolution of sex determination mechanisms, provide remarkable opportunities to study the formation of sex chromosomes and the mechanisms driving the birth of new master sex determining (MSD) genes. However, the evolutionary interplay between the sex chromosomes and the MSD genes they harbor is rather unexplored. We characterized a male-specific duplicate of the anti-Müllerian hormone ( amh) as the MSD gene in Northern Pike ( Esox lucius ), using genomic and expression evidences as well as by loss-of-function and gain-of-function experiments. Using RAD-Sequencing from a family panel, we identified Linkage Group (LG) 24 as the sex chromosome and positioned the sex locus in its sub-telomeric region. Furthermore, we demonstrated that this MSD originated from an ancient duplication of the autosomal amh gene, which was subsequently translocated to LG24. Using sex-specific pooled genome sequencing and a new male genome sequence assembled using Nanopore long reads, we also characterized the differentiation of the X and Y chromosomes, revealing a small male-specific insertion containing the MSD gene and a limited region with reduced recombination. Our study depicts an unexpected level of limited differentiation within a pair of sex chromosomes harboring an old MSD gene in a wild population of teleost fish, highlights the pivotal role of genes from the amh pathway in sex determination, as well as the importance of gene duplication as a mechanism driving the turnover of sex chromosomes in this clade. Author Summary In stark contrast to mammals and birds, teleosts have predominantly homomorphic sex chromosomes and display a high diversity of sex determining genes. Yet, population level knowledge of both the sex chromosome and the master sex determining gene is only available for the Japanese medaka, a model species. Here we identified and provided functional proofs of an old duplicate of anti-Müllerian hormone (Amh), a member of the Tgf-β family, as the male master sex determining gene in the Northern pike, Esox lucius . We found that this duplicate, named amhby (Y-chromosome-specific anti-Müllerian hormone paralog b), was translocated to the sub-telomeric region of the new sex chromosome, and now amhby shows strong sequence divergence as well as substantial expression pattern differences from its autosomal paralog, amha . We assembled a male genome sequence using Nanopore long reads and identified a restricted region of differentiation within the sex chromosome pair in a wild population. Our results provide insight on the conserved players in sex determination pathways, the mechanisms of sex chromosome turnover, and the diversity of levels of differentiation between homomorphic sex chromosomes in teleosts.

ABSTRACT The study of sex determination and sex chromosome organisation in non-model species has long been technically challenging, but new sequencing methodologies are now enabling precise and high-throughput identification of sex-specific genomic sequences. In particular, Restriction Site-Associated DNA Sequencing (RAD-Seq) is being extensively applied to explore sex determination systems in many plant and animal species. However, software designed to specifically search for sex-biased markers using RAD-Seq data is lacking. Here, we present RADSex, a computational analysis workflow designed to study the genetic basis of sex determination using RAD-Seq data. RADSex is simple to use, requires few computational resources, makes no prior assumptions about type of sex-determination system or structure of the sex locus, and offers convenient visualization through a dedicated R package. To demonstrate the functionality of RADSex, we re-analyzed a published dataset of Japanese medaka, Oryzias latipes , where we uncovered a previously unknown Y chromosome polymorphism. We then used RADSex to analyze new RAD-Seq datasets from 15 fish species spanning multiple systematic orders. We identified the sex determination system and sex-specific markers in six of these species, five of which had no known sex-markers prior to this study. We show that RADSex greatly facilitates the study of sex determination systems in non-model species and outperforms the commonly used RAD-Seq analysis software STACKS. RADSex in speed, resource usage, ease of application, and visualization options. Furthermore, our analysis of new datasets from 15 species provides new insights on sex determination in fish.

ABSTRACT The evolution of sex determination (SD) mechanisms in teleost fishes is amazingly dynamic, as reflected by the variety of different master sex-determining genes identified, even sometimes among closely related species. Pangasiids are a group of economically important catfishes in many South-Asian countries, but little is known about their sex determination system. Here, we generated novel genomic resources for 12 Pangasiid species and provided a first characterization of their SD system. Based on an Oxford Nanopore long-read chromosome-scale high quality genome assembly of the striped catfish Pangasianodon hypophthalmus , we identified a duplication of the anti-Müllerian hormone receptor type II gene ( amhr2 ), which was further characterized as being sex-linked in males and expressed only in testicular samples. These first results point to a male-specific duplication on the Y chromosome ( amhr2by ) of the autosomal amhr2a . Sequence annotation revealed that the P. hypophthalmus Amhr2by is truncated in its N-terminal domain, lacking the cysteine-rich extracellular part of the receptor that is crucial for ligand binding, suggesting a potential route for its neofunctionalization. Short-read genome sequencing and reference-guided assembly of 11 additional Pangasiid species, along with sex-linkage studies, revealed that this truncated amhr2by duplication is also conserved as a male-specific gene in many Pangasiids. Reconstructions of the amhr2 phylogeny suggested that amhr2by arose from an ancient duplication / insertion event at the root of the Siluroidei radiation that is dated around 100 million years ago. Altogether these results bring multiple lines of evidence supporting that amhr2by is an ancient and conserved master sex-determining gene in Pangasiid catfishes, a finding that highlights the recurrent usage of the transforming growth factor β pathway in teleost sex determination and brings another empirical case towards the understanding of the dynamics or stability of sex determination systems.

ABSTRACT The short-lived African killifish Nothobranchius furzeri lives in seasonal freshwater ponds and has evolved remarkable traits to survive in this limited environment. One of those traits is a genetic XX/XY sex-determination system, which ensures an equal distribution of both sexes. Comparisons of female and male genomic sequences identified the Y-chromosomal copy of the TGF-β family member gdf6 as the candidate male sex-determining (SD) gene, which was named gdf6Y in contrast to the X-chromosomal allele gdf6X . CRISPR/Cas9-mediated inactivation of gdf6Y in N. furzeri led to a complete male-to-female sex reversal in XY animals. The homozygous inactivation of gdf6X on the other hand led to a detrimental phenotype post-hatching. This phenotype was compensated by gdf6Y , revealing that the latter became the SD gene while retaining at least some of its original gdf6 function. Gdf6Y is expressed in testicular somatic cells already prior to hatching, where it represses the germ cell-intrinsic feminizing gene foxl2l . We have identified components of the TGF-β signaling pathway, especially the inhibitor of DNA binding genes id1/2/3 , and the mRNA decay activator zfp36l2 , as Gdf6Y targets. We conclude that Gdf6Y exerts its function as the male sex-determining gene by suppressing female-specific genes in the developing gonad of male N. furzeri .

Abstract Sexual reproduction is a ubiquitous basic feature of life and genetic sex determination is thus widespread, at least among eukaryotes. Understanding the remarkable diversity of sex determination mechanisms, however, is limited by the paucity of empirical studies. Here, we traced back the evolution of sex determination in an entire clade of vertebrates and uncovered that the northern pike ( Esox lucius ) master sex-determining gene initiated from a 65 to 90 million-year-old gene duplication and remained sex-linked on undifferentiated sex chromosomes for at least 56 million years. Contrasting with its ancient origin, we identified several independent species- or population-specific transitions of sex determination mechanisms in this lineage, including an unexpected complete and recent Y-chromosome loss in some North American northern pike populations. These findings highlight the diversity of the evolutionary fates of master sex-determining genes and raise the importance of careful considerations of population demographic history in sex determination studies. Our study also puts forward the hypothesis that occasional sex reversals and genetic bottlenecks provide a non-adaptive explanation for sex determination transitions.

ABSTRACT Many salmonids have a male heterogametic (XX/XY) sex determination system, and they are supposed to have a conserved master sex determining gene ( sdY ), that interacts at the protein level with Foxl2 leading to the blockage of the synergistic induction of Foxl2 and Nr5a1 of the cyp19a1a promoter. However, this hypothesis of a conserved master sex determining role of sdY in salmonids is still challenged by a few exceptions, one of them being the presence of some naturally occurring “apparent” XY Chinook salmon females. Here we show that XY Chinook salmon females have a sdY gene ( sdY-N183 ), which has one missense mutation leading to a substitution of a conserved isoleucine to an asparagine (SdY I183N). In contrast, Chinook salmon males have both a non-mutated sdY-I183 gene and the missense mutation sdY-N183 gene. The 3D model of SdY-N183 predicts that the I183N hydrophobic to hydrophilic amino acid change leads to a local modification of the β-sandwich structure of SdY. Using in vitro cell transfection assays we found that SdY-N183, like SdY-I183, is preferentially localized in the cytoplasm. However, compared to SdY-I183, SdY-N183 is more prone to degradation, its nuclear translocation by Foxl2 is reduced and SdY-N183 is unable to significantly repress the synergistic Foxl2/Nr5a1 induction of the cyp19a1a promoter. Altogether our results suggest that the sdY-N183 gene of XY Chinook females is a non-functional gene and that SdY-N183 is no longer able to promote testicular differentiation by impairing the synthesis of estrogens in the early differentiating gonads of wild Chinook salmon XY females.

Abstract Background The Percidae family comprises many fish species of major importance for aquaculture and fisheries. Based on three new chromosome-scale assemblies in Perca fluviatilis , Perca schrenkii , and Sander vitreus along with additional percid fish reference genomes, we provide an evolutionary and comparative genomic analysis of their sex-determination systems. Results We explored the fate of a duplicated anti-Mullerian hormone receptor type-2 gene ( amhr2bY ), previously suggested to be the master sex-determining (MSD) gene in P. flavescens . Phylogenetically related and structurally similar a mhr2 duplicates ( amhr2b ) were found in P. schrenkii and Sander lucioperca , potentially dating this duplication event to their last common ancestor around 19–27 Mya. In P. fluviatilis and S. vitreus , this amhr2b duplicate has been likely lost while it was subject to amplification in S. lucioperca . Analyses of the amhr2b locus in P. schrenkii suggest that this duplication could be also male-specific as it is in P. flavescens . In P. fluviatilis , a relatively small (100 kb) non-recombinant sex-determining region (SDR) was characterized on chromosome 18 using population-genomics approaches. This SDR is characterized by many male-specific single-nucleotide variations (SNVs) and no large duplication/insertion event, suggesting that P. fluviatilis has a male heterogametic sex-determination system (XX/XY), generated by allelic diversification. This SDR contains six annotated genes, including three ( c18h1orf198 , hsdl1 , tbc1d32 ) with higher expression in the testis than in the ovary. Conclusions Together, our results provide a new example of the highly dynamic sex chromosome turnover in teleosts and provide new genomic resources for Percidae, including sex-genotyping tools for all three known Perca species.

The Percidae family comprises many fish species of major importance for aquaculture and fisheries. Based on three new chromosome-scale assemblies in Perca fluviatilis, Perca schrenkii and Sander vitreus along with additional percid fish reference genomes, we provide an evolutionary and comparative genomic analysis of their sex-determination systems. We explored the fate of a duplicated anti-Mullerian hormone receptor type-2 gene (amhr2bY), previously suggested to be the master sex determining (MSD) gene in P. flavescens. Phylogenetically related and structurally similar amhr2 duplications (amhr2b) were found in P. schrenkii and Sander lucioperca, potentially dating this duplication event to their last common ancestor around 19-27 Mya. In P. fluviatilis and S. vitreus, this amhr2b duplicate has been lost while it was subject to amplification in S. lucioperca. Analyses of the amhr2b locus in P. schrenkii suggest that this duplication could be also male-specific as it is in P. flavescens. In P. fluviatilis, a relatively small (100 kb) non-recombinant sex-determining region (SDR) was characterized on chromosome-18 using population-genomics approaches. This SDR is characterized by many male-specific single-nucleotide variants (SNVs) and no large duplication/insertion event, suggesting that P. fluviatilis has a male heterogametic sex determination system (XX/XY), generated by allelic diversification. This SDR contains six annotated genes, including three (c18h1orf198, hsdl1, tbc1d32) with higher expression in testis than ovary. Together, our results provide a new example of the highly dynamic sex chromosome turnover in teleosts and provide new genomic resources for Percidae, including sex-genotyping tools for all three known Perca species.

ABSTRACT Chaperone-Mediated Autophagy (CMA) is a major pathway of lysosomal proteolysis critical for cellular homeostasis and metabolism. While extensively studied in mammals, CMA’s existence in fish has only been confirmed recently, offering exciting insights into its role in species facing environmental stress. Here, we shed light on the existence of 2 genes encoding the CMA-limiting factor Lamp2A (lysosomal associated membrane protein 2A) in rainbow trout (RT, Oncorhynchus mykiss ), revealing distinct expression patterns across various tissues. Notably, RT lacking the most expressed Lamp2A exhibit profound hepatic proteome disturbances during acute nutritional stress, underscoring its pivotal role as a guardian of hepatic proteostasis. Building upon these findings, we introduce and validate the CMA activation score as a reliable indicator of CMA status, providing a valuable tool for detecting cellular stress in fish under environmental threats. Overall, our study offers new perspectives into understanding CMA from evolutionary and environmental contexts. Abstract Figure

Background: Yellow perch, Perca flavescens, is an ecologically and commercially important species native to a large portion of the northern United States and southern Canada. It is also a promising candidate species for aquaculture. No yellow perch reference genome, however, has been available to facilitate improvements in both fisheries and aquaculture management practices. Findings: By combining Oxford Nanopore Technologies long-reads, 10X genomics Illumina short linked reads and a chromosome contact map produced with Hi-C, we generated a high-continuity chromosome scale yellow perch genome assembly of 877.4 Mb. It contains, in agreement with the known diploid chromosome yellow perch count, 24 chromosome-size scaffolds covering 98.8% of the complete assembly (N50 = 37.4 Mb, L50 = 11). Genome annotation identified 41.7% (366 Mb) of repeated elements and 24,486 genes including 16,579 genes (76.3%) significantly matching with proteins in public databases. We also provide a first characterization of the yellow perch sex determination locus that contains a male-specific duplicate of the anti-Mullerian hormone type II receptor gene (amhr2by) inserted at the proximal end of the Y chromosome (chromosome 9). Using this sex-specific information, we developed a simple PCR genotyping test which accurately differentiates XY genetic males (amhr2by+) from XX genetic females (amhr2by-). Conclusions: Our high-quality genome assembly is an important genomic resource for future studies on yellow perch ecology, toxicology, fisheries, and aquaculture research. In addition, the characterization of the amhr2by gene as a candidate sex determining gene in yellow perch provides a new example of the recurrent implication of the transforming growth factor beta pathway in fish sex determination, and highlights gene duplication as an important genomic mechanism for the emergence of new master sex determination genes.