Zamislite lava: mužjak ima raskošnu grivu, ženka nema. Ovo je klasičan primjer onoga što biolozi nazivaju seksualnim dimorfizmom - dva spola iste vrste pokazuju razlike u obliku ili ponašanju. Muški i ženski lavovi prilično dijele iste genetske informacije, ali izgledaju sasvim drugačije.
Navikli smo razmišljati o genima koji su odgovorni za osobine koje organizam razvija. Ali različiti oblici crte - griva ili ne - mogu nastati iz gotovo identičnih genetskih podataka. Nadalje, osobine nisu sve jednako seksualno dimorfne. Iako su se repovi pauna i paunova vrlo različiti, na primjer, stopala su im približno ista.
Razumijevanje načina na koji se pojavljuje ova varijacija oblika - što genetičari nazivaju fenotipskom varijacijom - ključno je za odgovor na nekoliko znanstvenih pitanja, uključujući kako se pojavljuju nove osobine tijekom evolucije i kako složene bolesti nastaju tijekom života.
Dakle, istraživači su pažljivije pogledali genom, tražeći gene odgovorne za razlike između spolova i između osobina unutar jednog spola. Ključ ovih seksualno-dimorfnih osobina čini se da je vrsta proteina koji se zove faktor transkripcije, a čiji je posao uključivanje i isključivanje gena.
U našem vlastitom radu s gnojevima gnoja, moji kolege i ja nerazumijevamo kako ti faktori transkripcije zapravo vode do različitih svojstava koja vidimo kod muškaraca i žena. Dosta toga ima veze s nečim što se naziva "alternativno spajanje gena" - fenomen koji omogućava da jedan gen kodira za različite proteine, ovisno o tome kako su građevni blokovi spojeni.
Gen doublesex proizvodi vizualno očit seksualni dimorfizam u leptirima Papilio polytes, uobičajenom Mormonu. Ženska (gore), muškarac (odozdo). (Jeevan Jose, Kerala, Indija, CC BY-SA) Tijekom godina različite su skupine znanstvenika neovisno radile s raznim životinjama na identificiranju gena koji oblikuju seksualni identitet; shvatili su da mnogi od tih gena dijele određeno područje. Ovo gensko područje pronađeno je i u genu za crve mab-3, i u genom insekata doublesex, pa su imenovali slične gene koji sadrže ove regije DMRT gene, za "faktore transkripcije povezanih sa doublesex mab".
Ovi geni kodiraju DMRT proteine koji uključuju ili isključuju čitanje ili ekspresiju drugih gena. Da bi to postigli, traže gene u DNK-u, vežu se za te gene i lakše ili teže pristupaju genetskim informacijama. Kontrolirajući koji su dijelovi genoma izraženi, DMRT proteini dovode do proizvoda karakterističnih za muškost ili ženskost. Odgovaraju izrazu gena pravom spolu i osobini.
DMRT-i gotovo uvijek daju muškost. Na primjer, bez DMRT-a, tkivo testisa kod muških miševa se pogoršava. Kad se DMRT eksperimentalno proizvodi kod ženskih miševa, oni razvijaju tkivo testisa. Ovaj posao promicanja razvoja testisa zajednički je kod većine životinja, od riba i ptica do glista i glista.
DMRT-i čak daju muškost kod životinja kod kojih pojedinci razvijaju testise i jajnike. Kod riba koje pokazuju sekvencijalni hermafroditizam - gdje se gonade mijenjaju od ženskih do muških ili obrnuto, kod iste jedinke - depilacijom i smanjivanjem DMRT ekspresije dolazi do pojave i regresije tkiva testisa. Isto tako, kod kornjača koje postanu muško ili žensko na temelju temperatura jajašca, DMRT se stvara u genitalnom tkivu embrija izloženih temperaturama koje potiču muškarce.
Kod insekata je situacija malo drugačija. Prvo, uloga DMRT-a (doublesex) u stvaranju seksualnog dimorfizma proširila se izvan spolnih žlijezda na druge dijelove tijela, uključujući dijelove usta, krila i čekinje za parenje, prikladno nazvane "seksualni češljevi".
Ovisno o načinu na koji se komadići sastavljaju, jedan gen može rezultirati u više različitih proteina. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Drugo, muški i ženski insekti generiraju vlastite verzije proteina doubleseksa kroz tzv. "Alternativno spajanje gena". Ovo je način da jedan gen kodira više proteina. Prije nego što se geni pretvore u bjelančevine, moraju ih se uključiti "na"; to jest prepisano u upute za izgradnju proteina.
No upute sadrže i korisna i vanjska područja informacija, tako da korisni dijelovi moraju biti spojeni zajedno kako bi se stvorile konačne upute o proteinima. Kombinacijom korisnih regija na različite načine, jedan gen može proizvesti više proteina. U muških i ženskih insekata, ovo alternativno spajanje gena rezultira da se dvostruki proteini ponašaju različito u svakom spolu.
Dakle, u ženki bi upute za doublesex gen mogle uključivati odjeljke 1, 2 i 3, dok bi u mužjaka ista upute mogla uključivati samo 2 i 3. Različiti proteini koji bi rezultirali imali bi vlastiti učinak na dijelove genetskog koda su uključeni ili isključeni - na primjer, mužjak s velikim ustima i ženka bez, na primjer.
Kako muški i ženski oblici dvostrukog spola reguliraju gene kako bi proizveli muške i ženske osobine? Naša istraživačka skupina odgovorila je na ovo pitanje pomoću gnoja gnoja, kojih je vrsta izuzetno brojna (preko 2.000), široko rasprostranjena (obitava na svim kontinentima osim Antarktike), svestrana (konzumira oko svake vrste gnoja) i pokazuje zadivljujuću raznolikost u seksualno dimorfnom svojstvu: rogovi,
Zahvaljujući genima doublesex, u jelenjačici Cyclommatus metallifer mandibule mužjaka (desno) su mnogo veće od onih ženki (lijevo). (Http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Usredotočili smo se na bika gnoja Onthophagus taurus, vrstu u kojoj mužjaci proizvode velike, bikove poput glava rogova, ali ženke ostaju bez roga. Otkrili smo da dvostruki proteini mogu regulirati gene na dva načina.
U većini osobina regulira različite gene u svakom spolu. Ovdje dvostruki seks ne djeluje kao "prekidač" između dva moguća seksualna ishoda, već umjesto toga davanje muškosti i ženstvenosti svakom spolu neovisno. Drugim riječima, ove osobine se ne suočavaju s binarnom odlukom između postajanja muškaraca ili žena, one su jednostavno aseksualne i spremne za daljnje podučavanje.
Priča je drugačija za rogove gnoja zuba. U ovom slučaju, doublesex djeluje više kao prekidač, regulirajući iste gene u oba spola, ali u suprotnim smjerovima. Ženski proteini supresionirani geni u ženki koje bi u protivnom promikao muški protein kod muškaraca. Zašto bi postojao evolutivni poticaj za to?
Naši podaci su nagovijestili da ženski proteini s dvostrukim seksom to čine kako bi se izbjeglo ono što je poznato kao "seksualni antagonizam". Prirodni odabir favorizira osobine koje povećavaju preživljavanje, dok seksualni odabir pogoduje osobinama koje povećavaju pristup prijateljima.
Ponekad se te snage slažu, ali ne uvijek. Veliki rogovi mužjaka O. taur povećavaju pristup prijateljima, ali isti bi rogovi bili gnjavaže za žene koje moraju podići tunel pod zemljom da bi podigle svoje potomstvo. To stvara tenziju među spolovima ili seksualni antagonizam koji ograničava sveukupnu podobnost vrsta. Međutim, ako ženski proteini doublesex isključe gene koji su kod muškaraca odgovorni za rast rogova, cijela se vrsta čini boljom.
Naše istraživanje u toku govori o tome kako se razvio dvostruki seks stvarajući ogromnu raznolikost u seksualnom dimorfizmu kod gnoja. Kod različitih vrsta rogovi se nalaze u različitim dijelovima tijela, rastu različito kao reakcija na različitu kvalitetnu prehranu, a mogu se pojaviti i kod ženki, a ne kod muškaraca.
Na primjer, u strijelcu Onthophagus, ženka koja uzgaja velike rogove, dok mužjaci ostaju bez roga. Ova je vrsta samo pet milijuna godina odmalena od O. taurusa, što je samo kap vremena u evolucijskoj kanti za insekte. Iz perspektive, bube su se odvajale od muha prije oko 225 milijuna godina. Ovo sugerira da se dvostruki seks može brzo razviti da bi stekao, prebacio ili izmijenio regulaciju gena koji su temelj u razvoju roga.
Kako će nam razumijevanje uloge doublesexa u seksualno dimorfnim osobinama insekata pomoći u razumijevanju fenotipske varijacije kod drugih životinja, čak i ljudi?
Unatoč činjenici da su DMRT spojeni kao samo jedan oblik kod sisavaca i djeluju prvenstveno kod mužjaka, većina ostalih ljudskih gena je alternativno spojena; Baš kao i dvostruki gen insekata, većina ljudskih gena ima različite regije koje se mogu složiti u različitim redoslijedima uz različite rezultate. Alternativno, začinjeni geni mogu imati različite ili suprotstavljene učinke na temelju pola ili osobine u kojoj se izražavaju. Razumijevanje kako se proteini koji nastaju alternativno začinjenim genima ponašaju se u različitim tkivima, spolovima i okruženjima otkrivajući kako jedan genom može stvoriti mnoštvo oblika ovisno o kontekstu.
Na kraju, rogovi poniznog gnoja buba mogu nam zaviriti u mehanizme koji stoje u osnovi ogromne složenosti životinjskih oblika, uključujući i ljude.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, doktorski znanstveni suradnik biologije, Sveučilište Indiana, Bloomington
