Wyobraź sobie lwa: Samiec ma bujną grzywę, samica nie. Jest to klasyczny przykład tego, co biolodzy nazywają dymorfizmem płciowym - dwie płcie tego samego gatunku wykazują różnice w formie lub zachowaniu. Samce i samice lwów dzielą tę samą informację genetyczną, ale wyglądają zupełnie inaczej.
Jesteśmy przyzwyczajeni do myślenia, że geny są odpowiedzialne za cechy rozwijane przez organizm. Ale różne formy cechy - grzywa lub brak grzywy - mogą wynikać z praktycznie identycznej informacji genetycznej. Co więcej, cechy nie wszystkie są w równym stopniu dymorficzne płciowo. Podczas gdy ogony pawi i grochu są bardzo różne, na przykład ich stopy są prawie takie same.
Zrozumienie, w jaki sposób powstaje ta odmiana formy - którą genetycy nazywają odmianą fenotypową - ma kluczowe znaczenie dla odpowiedzi na kilka pytań naukowych, w tym na temat tego, jak pojawiają się nowe cechy podczas ewolucji i jak pojawiają się złożone choroby w ciągu życia.
Dlatego badacze przyjrzeli się bliżej genomowi, szukając genów odpowiedzialnych za różnice między płciami i między cechami w obrębie jednej płci. Kluczem do tych cech dymorficznych płciowo wydaje się być rodzaj białka zwanego czynnikiem transkrypcyjnym, którego zadaniem jest włączanie i wyłączanie genów.
W naszej własnej pracy z chrząszczami gnojowymi, moi koledzy i ja odkrywamy, w jaki sposób te czynniki transkrypcyjne faktycznie prowadzą do różnych cech, które widzimy u mężczyzn i kobiet. Wiele ma to związek z czymś, co nazywa się „alternatywnym składaniem genów” - zjawiskiem, które umożliwia kodowanie jednego genu dla różnych białek, w zależności od tego, jak połączone są ze sobą bloki budulcowe.
Gen doublesex powoduje wizualnie widoczny dymorfizm płciowy w motyle Papilio polytes, pospolitym mormonie. Kobieta (u góry), mężczyzna (u dołu). (Jeevan Jose, Kerala, Indie, CC BY-SA) Przez lata różne grupy naukowców niezależnie pracowały z różnymi zwierzętami, aby zidentyfikować geny kształtujące tożsamość seksualną; zdali sobie sprawę, że wiele z tych genów ma określony region. Ten region genowy został znaleziony zarówno w genie robaka mab-3, jak i genie owada doublesex, więc nazwali oni podobne geny zawierające geny DMRT tego regionu dla „czynników transkrypcyjnych związanych z msex doublesex”.
Te geny kodują białka DMRT, które włączają lub wyłączają odczyt lub ekspresję innych genów. Aby to zrobić, szukają genów w DNA, wiążą się z tymi genami i ułatwiają lub utrudniają dostęp do informacji genetycznej. Kontrolując, które części genomu ulegają ekspresji, białka DMRT prowadzą do produktów charakterystycznych dla męskości lub kobiecości. Dopasowują ekspresję genów do właściwej płci i cechy.
DMRT prawie zawsze nadają męskość. Na przykład bez DMRT tkanka jąder u samców myszy pogarsza się. Kiedy DMRT jest eksperymentalnie wytwarzany u samic myszy, rozwijają one tkankę jąder. Ta praca polegająca na promowaniu rozwoju jąder jest wspólna dla większości zwierząt, od ryb i ptaków po robaki i małże.
DMRT nadają nawet męskość zwierzętom, u których rozwijają się zarówno jądra, jak i jajniki. U ryb, które wykazują sekwencyjny hermafrodytyzm - w którym gonady zmieniają się z żeńskich na męskie lub odwrotnie, u tej samej osobnika - woskowanie i zanikanie ekspresji DMRT powoduje odpowiednio pojawienie się i regresję tkanki jąder. Podobnie u żółwi, które stają się samcami lub samicami w oparciu o temperatury występujące w jaju, DMRT jest wytwarzany w tkance narządów płciowych zarodków wystawionych na działanie temperatur promujących samce.
Inaczej sytuacja wygląda u owadów. Po pierwsze, rola DMRT ( doublesex ) w generowaniu dymorfizmu płciowego rozciąga się poza gonady na inne części ciała, w tym na usta, plamki na skrzydłach i szczecinę godową trafnie nazwaną „grzebieniami płciowymi”.
W zależności od sposobu złożenia kawałków jeden gen może dać wiele różnych białek. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Po drugie, owady płci męskiej i żeńskiej wytwarzają własne wersje białka podwójnego płci poprzez tak zwane „alternatywne łączenie genów”. Jest to sposób, w jaki pojedynczy gen koduje wiele białek. Zanim geny zostaną zamienione w białka, należy je włączyć; to znaczy, przepisane na instrukcje budowania białka.
Ale instrukcje zawierają zarówno przydatne, jak i obce regiony informacji, więc użyteczne części muszą zostać połączone, aby utworzyć ostateczne instrukcje dotyczące białka. Łącząc użyteczne regiony na różne sposoby, pojedynczy gen może wytwarzać wiele białek. U owadów płci męskiej i żeńskiej to alternatywne składanie genów powoduje, że białka podwójnej płci zachowują się inaczej u każdej płci.
Tak więc u kobiety instrukcje z genu doublesex mogą zawierać sekcje 1, 2 i 3, podczas gdy u mężczyzny ta sama instrukcja może obejmować tylko 2 i 3. Różne powstałe białka miałyby swój własny wpływ na to, jakie części kodu genetycznego są włączane lub wyłączane - co prowadzi na przykład do mężczyzny z wielkimi ustami i kobiety bez.
W jaki sposób formy płci męskiej i żeńskiej regulują geny w celu wytworzenia cech męskich i żeńskich? Nasza grupa badawcza odpowiedziała na to pytanie za pomocą chrząszczy gnojowych, które są wyjątkowo liczne w gatunkach (ponad 2000), szeroko rozpowszechnione (zamieszkujące każdy kontynent z wyjątkiem Antarktydy), wszechstronne (konsumują każdy rodzaj gnoju) i wykazują niesamowitą różnorodność cechą dymorficzną płciowo: rogi .
Dzięki genowi doublesex, u jelenia chrząszcza Cyclommatus metallifer, żuchwy samców (po prawej) są znacznie większe niż u samic (po lewej). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Skupiliśmy się na chrząszczu gnojowicy Onthophagus taurus, gatunku, w którym samce wytwarzają duże, przypominające byki rogi głowy, ale samice pozostają bez rogu. Odkryliśmy, że białka podwójnej płci mogą regulować geny na dwa sposoby.
W większości cech reguluje różne geny u każdej płci. W tym przypadku doublesex nie działa jako „zmiana” między dwoma możliwymi efektami seksualnymi, ale daje niezależność płci i męskości każdej płci. Innymi słowy, cechy te nie stają przed binarną decyzją między byciem mężczyzną lub kobietą, są po prostu bezpłciowe i gotowe do dalszej nauki.
Historia jest inna dla rogów głowy chrząszcza. W tym przypadku doublesex działa bardziej jak przełącznik, regulując te same geny u obu płci, ale w przeciwnych kierunkach. Białko żeńskie tłumiło geny u kobiet, które w innym przypadku byłyby promowane przez białko męskie u mężczyzn. Dlaczego miałaby to być zachęta ewolucyjna?
Nasze dane wskazywały, że białko podwójnej płci żeńskiej robi to, aby uniknąć tak zwanego „antagonizmu seksualnego”. W naturze, kondycję kształtuje zarówno dobór naturalny, jak i seksualny. Dobór naturalny sprzyja cechom zwiększającym przeżycie, podczas gdy dobór płciowy sprzyja cechom zwiększającym dostęp do partnerów.
Czasami siły te są zgodne, ale nie zawsze. Duże rogi głowowe samców O. taurus zwiększają dostęp do partnerów, ale te same rogi byłyby kłopotliwe dla kobiet, które muszą tunelować pod ziemią, aby wychować swoje potomstwo. Stwarza to napięcie między płciami lub antagonizm seksualny, który ogranicza ogólną sprawność gatunku. Jeśli jednak żeńskie białko doublesex wyłącza geny, które u samców są odpowiedzialne za wzrost rogu, cały gatunek ma się lepiej.
Nasze bieżące badania dotyczą ewolucji Doublesex, aby wygenerować ogromną różnorodność dymorfizmu płciowego u chrząszcza. U różnych gatunków rogi występują w różnych obszarach ciała, rosną inaczej w zależności od diety o różnej jakości, a nawet mogą występować u kobiet niż u mężczyzn.
Na przykład w Onthophagus sagittarius to samica wyrasta z dużych rogów, podczas gdy samce pozostają bez rogu. Gatunek ten dzieli zaledwie pięć milionów lat od O. taurus, zaledwie kropli czasu w ewolucyjnym wiadrze dla owadów. Z perspektywy czasu chrząszcze odbiegały od much około 225 milionów lat temu. Sugeruje to, że doublesex może szybko ewoluować w celu uzyskania, zmiany lub modyfikacji regulacji genów leżących u podstaw rozwoju rogu.
W jaki sposób zrozumienie roli podwójnej płci w dimorficznych seksualnie cechach owadów pomoże nam zrozumieć zmienność fenotypową u innych zwierząt, nawet ludzi?
Pomimo tego, że DMRT są składane jako jedna forma u ssaków i działają głównie u samców, większość innych genów ludzkich jest łączona alternatywnie; podobnie jak gen podwójnego owada, większość ludzkich genów ma różne regiony, które można łączyć ze sobą w różnych rzędach, uzyskując różne wyniki. Alternatywnie łączone geny mogą mieć wyraźne lub przeciwstawne efekty w zależności od płci lub cechy, w której są wyrażane. Zrozumienie, w jaki sposób białka wytwarzane przez alternatywnie łączone geny zachowują się w różnych tkankach, płciach i środowiskach, ujawnią, w jaki sposób jeden genom może wytwarzać wiele form w zależności od kontekstu.
W końcu rogi skromnego żuka gnojowego mogą nam rzucić okiem na mechanizmy leżące u podstaw ogromnej złożoności form zwierzęcych, w tym ludzi.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, doktor nauk biologicznych, Indiana University, Bloomington
