Pozați un leu: masculul are o brânză luxuroasă, femela nu. Acesta este un exemplu clasic de ceea ce biologii numesc dimorfism sexual - cele două sexe ale aceleiași specii prezintă diferențe de formă sau comportament. Leii de sex masculin și feminin împărtășesc aproape toate aceleași informații genetice, dar arată destul de diferit.
Ne-am obișnuit să gândim genele ca fiind responsabile pentru trăsăturile pe care le dezvoltă un organism. Dar diferite forme de trăsătură - crăinuță sau fără germeni - pot apărea din informații genetice practic identice. În plus, trăsăturile nu sunt toate la fel de dimorfice sexual. În timp ce cozile păunilor și piersicilor sunt extrem de diferite, picioarele lor, de exemplu, sunt cam la fel.
Înțelegerea modului în care această variație a formei - ceea ce geneticii numesc variație fenotipică - apare esențial pentru a răspunde la mai multe întrebări științifice, inclusiv cum apar trăsături noi în timpul evoluției și modul în care apar boli complexe pe parcursul vieții.
Așadar, cercetătorii au aruncat o privire mai atentă asupra genomului, căutând genele responsabile pentru diferențele dintre sexe și între trăsăturile din cadrul unui singur sex. Cheia acestor trăsături dimorfice sexual pare să fie un fel de proteine numite factor de transcripție, al cărui job este acela de a activa genele „pornit” și „oprit”.
În propria lucrare cu gândacii de bălegar, colegii și cu mine ne dezlănțuim cum acești factori de transcripție duc de fapt la diferitele trăsături pe care le vedem la bărbați și femei. O mulțime de acestea are legătură cu ceva numit „splicing alternativ al genelor” - fenomen care permite unei singure gene să codifice diferite proteine, în funcție de modul în care blocurile de construcție sunt unite.
Gene doublesex produce dimorfism sexual vizibil în fluturii Papilio politeți, Mormonul comun. Femelă (sus), masculină (jos). (Jeevan Jose, Kerala, India, CC BY-SA) De-a lungul anilor, diferite grupuri de oameni de știință au lucrat în mod independent cu diverse animale pentru a identifica gene care modelează identitatea sexuală; și-au dat seama că multe dintre aceste gene au o regiune specifică. Această regiune genică a fost găsită atât în gena vierme mab-3, cât și în gena insectă doublesex, așa că au denumit gene similare care conțin această regiune gene DMRT, pentru „factori de transcripție legată de mab doublesex.”
Aceste gene codează proteinele DMRT care activează sau dezactivează citirea sau expresia altor gene. Pentru a face acest lucru, ei caută gene în ADN, se leagă de acele gene și facilitează accesul la informațiile genetice. Prin controlul ce părți ale genomului sunt exprimate, proteinele DMRT duc la produse caracteristice malezi sau femele. Ele corespund expresiei genelor la sexul și trăsăturile potrivite.
DMRT-urile conferă aproape întotdeauna răutate. De exemplu, fără DMRT, țesutul testicular la șoarecii de sex masculin se deteriorează. Când DMRT este produs experimental la șoarecii de sex feminin, ei dezvoltă țesut testicular. Această meserie de promovare a dezvoltării testiculelor este comună pentru majoritatea animalelor, de la pești și păsări la viermi și scoici.
DMRTs conferă chiar boală la animalele în care indivizii dezvoltă atât testicule cât și ovare. La peștii care prezintă hermafroditism secvențial - unde gonadele se schimbă de la femeie la mascul, sau invers, în cadrul aceluiași individ - epilarea și scăderea expresiei DMRT rezultă în apariția și regresia țesutului testicular, respectiv. De asemenea, la țestoasele care devin masculi sau femele pe baza temperaturilor experimentate în ou, DMRT este produs în țesutul genital al embrionilor expuși la temperaturi de sex masculin.
Situația este puțin diferită la insecte. În primul rând, rolul DMRT ( doublesex ) în generarea dimorfismului sexual s-a extins dincolo de gonade și în alte părți ale corpului, inclusiv părți ale gurii, pete cu aripi și perii de împerechere numiți în mod adecvat „pieptene sexuale”.
În funcție de modul în care piesele sunt reunite, o genă poate duce la un număr de proteine diferite. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) În al doilea rând, insectele masculine și feminine generează propriile versiuni ale proteinei dublesex prin ceea ce se numește „splicing alternativ al genelor”. Aceasta este o modalitate pentru o singură genă de a codifica proteine multiple. Înainte ca genele să fie transformate în proteine, acestea trebuie să fie „activate”; adică transcris în instrucțiuni pentru construirea proteinei.
Dar instrucțiunile conțin atât regiuni utile și extrane de informații, astfel încât părțile utile trebuie să fie cusute împreună pentru a crea instrucțiunile proteice finale. Combinând regiunile utile în moduri diferite, o singură genă poate produce multiple proteine. La insectele de sex masculin și feminin, această splicing alternativă a genelor este cea care duce la proteine dubleex comportându-se diferit la fiecare sex.
Deci, la o femeie, instrucțiunile de la gena doublesex ar putea include secțiunile 1, 2 și 3, în timp ce la un bărbat, aceeași instrucțiune ar putea include doar 2 și 3. Proteinele rezultate diferite ar avea fiecare propriul lor efect asupra părților codului genetic. sunt pornite sau oprite - ducând la un bărbat cu părți bucale uriașe și o femelă fără, de exemplu.
Cum reglează formele masculine și feminine ale dubleex-ului pentru a produce trăsături masculine și feminine? Grupul nostru de cercetare a răspuns acestei întrebări folosind gândaci de bălegar, care sunt excepțional de numeroase la specii (peste 2.000), răspândite (care locuiesc în fiecare continent, cu excepția Antarcticii), versatile (consumând aproximativ fiecare tip de bălegar) și care prezintă o diversitate uimitoare într-o trăsătură dimorfă sexuală: coarne. .
Datorită genei doublesex, în gândacul de cerb Cyclommatus metallifer, mandibulele masculilor (dreapta) sunt mult mai mari decât cele ale femelelor (stânga). (Http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Ne-am concentrat pe gândacul de bălegar cu capul taurului Onthophagus taurus, o specie în care masculii produc coarne mari, asemănătoare cu taurul, dar femelele rămân fără corn. Am descoperit că proteinele dubleex pot regla genele în două moduri.
În majoritatea trăsăturilor, reglează diferite gene la fiecare sex. Aici, doublesex nu acționează ca un „schimb” între două posibile rezultate sexuale, ci conferă în mod independent masculinitate și feminitate fiecărui sex în mod independent. Altfel spus, aceste trăsături nu se confruntă cu o decizie binară între a deveni bărbat sau femeie, sunt pur și simplu asexuate și pregătite pentru instrucțiuni suplimentare.
Povestea este diferită pentru coarnele capului gândacilor de bălegar. În acest caz, doublesex acționează mai mult ca un switch, reglând aceleași gene la ambele sexe, dar în direcții opuse. Proteina feminină a suprimat genele la femei care altfel ar fi promovate de proteina masculină la bărbați. De ce ar exista un stimulent evolutiv pentru a face acest lucru?
Datele noastre au sugerat că proteina dublesex feminină face acest lucru pentru a evita ceea ce este cunoscut sub numele de „antagonism sexual”. În natură, fitnessul este sculptat atât prin selecția naturală, cât și prin cea sexuală. Selecția naturală favorizează trăsăturile crescând supraviețuirea, în timp ce selecția sexuală favorizează caracteristicile crescând accesul la parteneri.
Uneori, aceste forțe sunt de acord, dar nu întotdeauna. Coarnele mari ale capului O. Taurus masculi își măresc accesul la împerecheți, dar aceleași coarne ar fi o problemă pentru femelele care trebuie să se tuneleze în subteran pentru a-și crește urmașii. Acest lucru creează o tensiune între sexe, sau antagonism sexual, care limitează starea generală a speciei. Cu toate acestea, dacă proteina dublesex feminin dezactivează genele care la bărbați sunt responsabile pentru creșterea cornului, întreaga specie se descurcă mai bine.
Cercetarea noastră continuă abordează modul în care a evoluat doublesex pentru a genera o mare diversitate de dimorfism sexual în gândacii de bălegar. Peste specii, coarnele se găsesc în diferite regiuni ale corpului, cresc diferit ca răspuns la diferite diete de calitate și pot apărea chiar și la femei, mai degrabă decât la bărbați.
În Onthophagus sagittarius, de exemplu, femela crește coarne substanțiale, în timp ce bărbații rămân fără coarne. Această specie a depășit doar cinci milioane de ani de la O. taurus, o simplă scădere de timp în găleata evolutivă pentru insecte. În perspectivă, gândacii s-au abătut de la muște în urmă cu aproximativ 225 de milioane de ani. Acest lucru sugerează că doublesex poate evolua rapid pentru a achiziționa, comuta sau modifica modificarea reglării genelor care stau la baza dezvoltării cornului.
Cum ne va ajuta să înțelegem rolul dubleexului în trăsăturile de insecte dimorfice sexual, care să ne ajute să înțelegem variația fenotipică la alte animale, chiar și la oameni?
În ciuda faptului că DMRT-urile sunt împărțite ca o singură formă la mamifere și acționează în principal la bărbați, majoritatea altor gene umane sunt alternativ; la fel ca gena dublesex a insectelor, majoritatea genelor umane au diferite regiuni care pot fi împărțite împreună în ordine diferite, cu rezultate diferite. Genele împușcate alternativ pot avea efecte distincte sau opuse, bazate pe sexul sau trăsăturile în care sunt exprimate. Înțelegerea modului în care proteinele produse de gene alternativ împletite se comportă în diferite țesuturi, sexe și medii, vor releva modul în care un genom poate produce o multitudine de forme. în funcție de context.
În cele din urmă, umilele coarne ale gândacului de bălegar ne pot arunca o privire asupra mecanismelor care stau la baza complexității vaste a formelor de animale, inclusiv oamenii.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, postdoctoral Fellow of Biology, Indiana University, Bloomington
