Slikajte leva: Moški ima razkošno grivo, samica pa ne. To je klasičen primer tistega, kar biologi imenujejo spolni dimorfizem - oba spola iste vrste imata razlike v obliki ali vedenju. Moški in ženski levi si v veliki meri delijo iste genetske informacije, vendar izgledajo precej drugače.
Navajeni smo razmišljati o genih kot odgovornih za lastnosti, ki jih ima organizem. Toda različne oblike lastnosti - griva ali nobena griva - lahko izhajajo iz praktično identičnih genetskih informacij. Poleg tega vse lastnosti niso enako spolno dimorfne. Medtem ko so repi pav in peaje zelo različni, so na primer njihova stopala precej enaka.
Razumevanje, kako se pojavlja ta različica oblike - kar genetiki imenujejo fenotipska variacija - je ključnega pomena za odgovor na več znanstvenih vprašanj, vključno s tem, kako se pojavljajo nove lastnosti med evolucijo in kako nastanejo zapletene bolezni v življenju.
Tako so raziskovalci podrobneje pogledali genom in iskali gene, odgovorne za razlike med spoloma in med lastnostmi znotraj enega spola. Ključ do teh spolno-dimorfnih lastnosti se zdi, da je nekakšen protein, ki se imenuje transkripcijski faktor, katerega naloga je vklopiti in izklopiti gene.
S svojim kolegom in jaz pri svojem delu z gnoji hrošči razgalimo, kako ti dejavniki transkripcije dejansko privedejo do različnih lastnosti, ki jih opazimo pri samcih in samicah. Veliko tega ima povezave z nečim, imenovanim "alternativno spajanje genov" - pojav, ki omogoča, da en sam gen kodira za različne beljakovine, odvisno od tega, kako so sestavni deli združeni.
Gen doublesex povzroča vizualno očiten spolni dimorfizem v metuljih Papilio polytes, običajnem mormonu. Ženska (zgoraj), moška (spodaj). (Jeevan Jose, Kerala, Indija, CC BY-SA) Skozi leta so različne skupine znanstvenikov neodvisno sodelovale z različnimi živalmi, da bi identificirale gene, ki oblikujejo spolno identiteto; spoznali so, da ima veliko teh genov določeno regijo. To gensko regijo smo našli tako v genu črvov mab-3 kot v genskemu dvojnem spolu, zato so poimenovali podobne gene, ki vsebujejo gene te regije DMRT, za "transkripcijske faktorje, povezane z doublesexom, z mab".
Ti geni kodirajo proteine DMRT, ki vklopijo ali izklopijo branje ali izražanje drugih genov. V ta namen iščejo gene v DNK, se vežejo na te gene in lažje ali težje dostopajo do genetskih informacij. Z nadzorom, kateri deli genoma so izraženi, DMRT proteini vodijo do izdelkov, značilnih za moškost ali ženskost. Ustrezajo izražanju genov pravemu spolu in lastnosti.
DMRT-ji skoraj vedno podeljujejo moškost. Na primer, brez DMRT se tkivo testisov pri samcih miši pokvari. Ko se DMRT eksperimentalno proizvaja pri samicah miši, razvijejo tkivo testisov. Ta naloga spodbujanja razvoja testisov je skupna večini živali, od rib in ptic do črvov in školjk.
DMRT-ji pri živalih celo dajejo moškost, kjer posamezniki razvijejo tako testise kot jajčnike. Pri ribah, ki kažejo zaporedni hermafroditizem - kjer se spolne žleze spremenijo iz ženskega v moškega ali obratno, pri istem posamezniku - voskanje in zmanjšanje izražanja DMRT povzroči nastanek in regresijo testisnega tkiva. Prav tako pri želvah, ki postanejo moški ali samice na podlagi temperatur v jajcu, nastane DMRT v genitalnem tkivu zarodkov, izpostavljenih temperaturam, ki spodbujajo moške.
Pri žuželkah je situacija nekoliko drugačna. Prvič, vloga DMRT ( doublesex ) pri ustvarjanju spolnega dimorfizma sega preko spolnih žlez na druge dele telesa, vključno s predelki za ustnice, krilnimi lonci in ščetinami, ki se jih imenuje "spolni glavniki."
Odvisno od načina sestavljanja kosov lahko en gen povzroči več različnih beljakovin. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Drugič, moški in samice žuželke ustvarijo svoje različice beljakovin dvojnega spola s tako imenovanim "alternativnim spajanjem genov". To je način, da en gen lahko kodira več beljakovin. Preden se geni spremenijo v beljakovine, jih je treba vklopiti "vklopljeno"; to je prepisano v navodila, kako sestaviti beljakovine.
Toda navodila vsebujejo tako uporabna kot tuja področja informacij, zato jih je treba uporabiti, da bodo sestavljeni deli sestavljeni skupaj, da ustvarite končna navodila za beljakovine. S kombiniranjem uporabnih regij na različne načine lahko en sam gen ustvari več beljakovin. Pri moških in ženskih žuželkah je to alternativno spajanje genov, ki ima za posledico, da se proteini doublesex ob vsakem spolu obnašajo drugače.
Torej pri ženski lahko navodila gena za dvojni seks vključujejo oddelke 1, 2 in 3, medtem ko bi pri moškem lahko isti napotek vključeval le 2 in 3. Različni beljakovine bi lahko vplivale na dele delov genetskega koda so vklopljeni ali izklopljeni, na primer vodi moški z ogromnimi delci ustnic in samica brez.
Kako moške in ženske oblike dvojnega spola uravnavajo gene, da proizvajajo moške in ženske lastnosti? Naša raziskovalna skupina je na to vprašanje odgovorila z gnoji hrošči, ki jih je v vrstah (več kot 2000) izjemno veliko, razširjenih (naseljujejo vse celine razen Antarktike), vsestranskih (porabijo za vsako vrsto gnoja) in kažejo neverjetno raznolikost v spolno dimorfni lastnosti: rogovi .
Zahvaljujoč genu doublesex, je v mačji hrošč Cyclommatus metallifer mandibula samcev (desno) veliko večja kot pri samicah (levo). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Osredotočili smo se na govejega gnoja Onthophagus taurus, vrste, v kateri samci proizvajajo velike, biku podobne glavo rogove, samice pa ostanejo brez rogov. Ugotovili smo, da lahko doublesex proteini uravnavajo gene na dva načina.
V večini lastnosti uravnava različne gene pri vsakem spolu. Tu dvojni seks ne deluje kot "preklop" med dvema možnima spolnima izidoma, ampak namesto tega moškosti in ženskosti daje vsak spol neodvisno. Povedano drugače, te lastnosti se ne soočajo z binarno odločitvijo med tem, kako postati moški ali ženska, temveč so preprosto aseksualne in pripravljene na nadaljnje poučevanje.
Zgodba za gnoje hroščev hroščev je drugačna. V tem primeru doublesex deluje bolj kot stikalo, ki uravnava iste gene pri obeh spolih, vendar v nasprotnih smereh. Ženski proteini so pri ženskah zavirali gene, ki bi jih sicer moški beljakovin spodbujal pri moških. Zakaj bi obstajala evolucijska spodbuda za to?
Naši podatki so namignili, da beljakovina z dvojnim seksom to počne, da bi se izognili temu, kar je znano kot "spolni antagonizem". Naravna selekcija daje prednost značilnostim, ki povečujejo preživetje, medtem ko spolni izbor daje prednost večjim dostopom do sorodnikov.
Včasih se te sile strinjajo, vendar ne vedno. Veliki rogovi moških O. taurus povečujejo dostop do parčkov, toda isti rogovi bi bili težava ženskam, ki morajo tuneli pod zemljo, da vzgojijo svoje potomce. To ustvarja napetost med spoloma ali spolni antagonizem, ki omejuje splošno kondicijo vrste. Če pa ženski proteini dvojnega spola izklopijo gene, ki so pri samcih odgovorni za rast rogov, se celotni vrsti zdi bolje.
Naše nenehno raziskovanje obravnava, kako se je razvil dvojni seks, da bi ustvaril ogromno raznolikost spolnega dimorfizma pri hroščevih hroščih. Rogove najdemo v različnih telesnih regijah, različno rastejo kot odziv na različne kakovostne prehrane in se lahko pojavijo celo pri samicah in ne samcih.
Na primer v strelcu Onthophagus samica goji velike rogove, medtem ko samci ostanejo brez rogov. Ta vrsta se od O. taurusa loči le pet milijonov let, kar je le kapljica časa v evolucijskem vedru za žuželke. Z vidika perspektive so se hrošči razšli od muh pred približno 225 milijoni let. To kaže, da se lahko dvojni seks hitro razvije, da pridobi, preklopi ali spremeni regulacijo genov, na katerih temelji rog razvoj.
Kako nam bo razumevanje vloge doublesexa pri spolno dimorfnih lastnostih žuželk pomagalo razumeti fenotipsko variacijo pri drugih živalih, tudi ljudeh?
Kljub dejstvu, da so DMRT pri sesalcih zapleteni le kot ena oblika in delujejo predvsem pri samcih, je večina drugih človeških genov alternativno zapletena; tako kot dvojni gen žuželk ima tudi večina človeških genov različne regije, ki jih je mogoče z različnimi rezultati zlepiti v različnih zaporedjih. Alternativno zapleteni geni imajo lahko različne ali nasprotujoče si učinke na podlagi spola ali lastnosti, v kateri se izražajo. Razumevanje, kako se proteini, ki jih proizvajajo alternativno spojeni geni, obnašajo v različnih tkivih, spolih in okoljih, razkrijejo, kako lahko en genom ustvari množico oblik odvisno od konteksta.
Na koncu lahko rogovi skromnega hrošča hrošča pokukajo v mehanizme, na katerih temelji velika zapletenost živalskih oblik, vključno s človekom.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Cris Ledón-Rettig, podoktorski znanstveni sodelavec biologije, Univerza Indiana, Bloomington
