Tenk en løve: Hannen har en frodig manke, hunnen ikke. Dette er et klassisk eksempel på hva biologer kaller seksuell dimorfisme - de to kjønnene av samme art viser forskjeller i form eller oppførsel. Mannlige og kvinnelige løver deler ganske mye den samme genetiske informasjonen, men ser ganske annerledes ut.
Vi er vant til å tenke på gener som er ansvarlige for egenskapene en organisme utvikler. Men forskjellige former for en egenskap - manke eller ingen manke - kan oppstå fra praktisk identisk genetisk informasjon. Videre er ikke alle karaktertrekk like seksuelt dimorfe. Mens halene til påfugler og peasener er ekstremt forskjellige, er føttene deres for eksempel ganske like.
Å forstå hvordan denne variasjonen av form - det genetikere kaller fenotypisk variasjon - oppstår, er avgjørende for å besvare flere vitenskapelige spørsmål, inkludert hvordan nye egenskaper vises under evolusjonen og hvordan komplekse sykdommer dukker opp i løpet av livet.
Så forskere har sett nærmere på genomet, på jakt etter genene som er ansvarlige for forskjeller mellom kjønn og mellom egenskaper innen ett kjønn. Nøkkelen til disse seksuelt dimorfe trekkene ser ut til å være et slags protein som kalles en transkripsjonsfaktor, hvis jobb det er å slå gener “på” og “av”.
I vårt eget arbeid med møkkbiller løsner kollegene og jeg hvordan disse transkripsjonsfaktorene faktisk fører til de forskjellige egenskapene vi ser hos menn og kvinner. Mye av det har å gjøre med noe som kalles “alternativ genskjøting” - et fenomen som gjør at et enkelt gen kan kode for forskjellige proteiner, avhengig av hvordan byggesteinene er samlet.
Gendublesex produserer visuelt åpenbar seksuell dimorfisme i sommerfuglen Papilio-polytter, den vanlige Mormon. Kvinne (øverst), hann (nederst). (Jeevan Jose, Kerala, India, CC BY-SA) Gjennom årene arbeidet forskjellige grupper forskere uavhengig med forskjellige dyr for å identifisere gener som former seksuell identitet; de innså at mange av disse genene deler en bestemt region. Denne genregionen ble funnet i både ormegenet mab-3 og insektgenet doublesex, så de kalte lignende gener som inneholder denne regionen DMRT-gener, for “doublesex mab-relaterte transkripsjonsfaktorer.”
Disse genene koder for DMRT-proteiner som slår på eller av lesing eller uttrykk for andre gener. For å gjøre dette søker de gener i DNA, binder seg til disse genene og gjør det enten lettere eller vanskeligere å få tilgang til den genetiske informasjonen. Ved å kontrollere hvilke deler av genomet som uttrykkes, fører DMRT-proteiner til produkter som er karakteristiske for maleness eller femaleness. De matcher uttrykket av gener til riktig kjønn og egenskap.
DMRT-er gir nesten alltid galskap. For eksempel uten DMRT forverres testikkelvev hos hannmus. Når DMRT produseres eksperimentelt i hunnmus, utvikler de testikkelvev. Denne jobben for å fremme testisutvikling er vanlig for de fleste dyr, fra fisk og fugl til ormer og muslinger.
DMRTs gir til og med maleness hos dyr der individer utvikler både testikler og eggstokker. Hos fisk som viser sekvensiell hermafroditisme - der gonader endres fra kvinnelig til mannlig, eller omvendt, innen det samme individet - resulterer voksingen og avtagelsen av DMRT-uttrykk i utseendet og regresjonen av testikkelvev. På samme måte produseres DMRT i skilpadder som blir mannlige eller kvinnelige basert på temperaturer som er opplevd i egget, i kjønnsvevet til embryoer som er utsatt for hannfremmende temperaturer.
Situasjonen er litt annerledes hos insekter. For det første har rollen som DMRT ( doublesex ) i å generere seksuell dimorfisme utvidet seg utover gonader til andre deler av kroppen, inkludert munnstykker, vingerpotter og parringsbust med passende navn "sexkam."
Avhengig av hvordan brikkene er satt sammen, kan ett gen resultere i en rekke forskjellige proteiner. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) For det andre genererer mannlige og kvinnelige insekter sine egne versjoner av doublesex- proteinet gjennom det som kalles “alternativ genskjøting ”. Dette er en måte for et enkelt gen å kode for flere proteiner. Før gener blir omgjort til proteiner, må de slås på "; det vil si transkribert til instruksjoner for hvordan du kan bygge proteinet.
Men instruksjonene inneholder både nyttige og fremmede regioner med informasjon, så de nyttige delene må sys sammen for å lage de endelige proteininstruksjonene. Ved å kombinere de nyttige regionene på forskjellige måter, kan et enkelt gen produsere flere proteiner. Hos mannlige og kvinnelige insekter er det dette alternative genskjøtet som resulterer i at doublesex- proteinene oppfører seg annerledes i hvert kjønn.
Så hos en kvinne, kan instruksjoner fra doublesex- genet inneholde seksjoner 1, 2 og 3, mens hos en hann kan den samme instruksjonen bare omfatte 2 og 3. De forskjellige resulterende proteiner vil hver ha sin egen effekt på hvilke deler av den genetiske koden. er slått av eller på - noe som fører til en hann med enorme munnstykker og en hunn uten, for eksempel.
Hvordan regulerer mannlige og kvinnelige former for doublesex gener for å produsere mannlige og kvinnelige egenskaper? Forskningsgruppen vår svarte på dette spørsmålet ved hjelp av møkkbiller, som er usedvanlig mange i arter (over 2000), utbredt (som bor på hvert kontinent bortsett fra Antarktis), allsidig (konsumerer omtrent alle typer møkk) og viser utrolig mangfoldighet i et seksuelt dimorf trekk: horn .
Takket være doublesex-genet, i hjortebillen Cyclommatus metallifer, er mandibler av menn (til høyre) mye større enn hos kvinner (til venstre). (Http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Vi fokuserte på den oksehårede møkkbillen Onthophagus taurus, en art hvor hanner produserer store, okselignende hodehorn, men hunnene forblir hornløse. Vi fant at doublesex- proteiner kan regulere gener på to måter.
I de fleste trekk regulerer det forskjellige gener i hvert kjønn. Her fungerer ikke dobbelteksempel som en "bytte" mellom to mulige seksuelle utfall, men tildeler i stedet ubehagelighet og kvinnelighet til hvert kjønn. Sagt på en annen måte, disse trekkene står ikke overfor en binær beslutning mellom å bli mann eller kvinne, de er rett og slett aseksuelle og klare til videre instruksjon.
Historien er annerledes for møkkhornets hornhorn. I dette tilfellet fungerer doublesex mer som en bryter, og regulerer de samme genene hos begge kjønn, men i motsatte retninger. Det kvinnelige proteinet undertrykte gener hos kvinner som ellers ville blitt promotert av det mannlige proteinet hos menn. Hvorfor vil det være et evolusjonært insentiv til å gjøre dette?
Våre data antydet at det kvinnelige doublesex- proteinet gjør dette for å unngå det som er kjent som "seksuell antagonisme." I naturen er fitness formet av både naturlig og seksuelt utvalg. Naturlig utvalg favoriserer egenskaper som øker overlevelsen, mens seksuell seleksjon favoriserer egenskaper som øker tilgangen til kompisene.
Noen ganger er disse styrkene enige, men ikke alltid. De store hodehornene til hann O.-tyren øker tilgangen til kompisene, men de samme hornene ville være et problem for kvinner som må gå under jorden for å oppdra sitt avkom. Dette skaper en spenning mellom kjønnene, eller seksuell antagonisme, som begrenser artenes generelle egnethet. Imidlertid, hvis det kvinnelige doublesex- proteinet slår "av" gener som hos menn er ansvarlige for hornvekst, klarer hele arten bedre.
Vår pågående forskning tar for seg hvordan doublesex har utviklet seg for å generere det store mangfoldet innen seksuell dimorfisme i møkkbiller. På tvers av arter finnes horn i forskjellige kroppsregioner, vokser annerledes som respons på forskjellige kvalitetsdietter, og kan til og med forekomme hos kvinner i stedet for hanner.
I Onthophagus sagittarius, for eksempel, er det hunnen som vokser betydelige horn mens hannene forblir hornløse. Denne arten er bare fem millioner år divergerende fra O. taurus, bare en dråpe tid i evolusjonsbøtta for insekter. For perspektiv avviket biller fra fluer for rundt 225 millioner år siden. Dette antyder at doublesex raskt kan utvikle seg for å tilegne seg, bytte eller endre reguleringen av gener som ligger til grunn for hornutviklingen.
Hvordan vil forståelsen av doublesex i seksuelt dimorfe insektegenskaper hjelpe oss å forstå fenotypisk variasjon hos andre dyr, også mennesker?
Til tross for at DMRT er skjøtet som bare en form hos pattedyr og hovedsakelig virker hos menn, skjønner de fleste andre menneskelige gener seg; akkurat som insektenes doublesex- gen, har de fleste menneskelige gener forskjellige regioner som kan spleises sammen i forskjellige rekkefølge med varierende resultater. Alternativt kan spleisede gener ha tydelige eller motstridende effekter basert på hvilket kjønn eller egenskap de kommer til uttrykk i. Å forstå hvordan proteiner som er produsert av alternativt skjøte gener oppfører seg i forskjellige vev, kjønn og miljøer vil avsløre hvordan et genom kan produsere et mangfold av former avhengig av kontekst.
Til slutt kan den ydmyke møkkens hornhorn gi oss en titt på mekanismene som ligger til grunn for den enorme kompleksiteten av dyreformer, inkludert mennesker.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, postdoktor i biologi, Indiana University, Bloomington
