Kép egy oroszlán: A hímnek finom sörény van, a nősténynek nem. Ez egy klasszikus példa arra, amit a biológusok szexuális dimorfizmusnak neveznek - ugyanazon faj két nemének eltérő alakja vagy viselkedése. A hím és nőstény oroszlánok nagyrészt ugyanazt a genetikai információt tartalmazzák, de meglehetősen eltérőek.
Arra szoktunk, hogy a génekre gondolunk, amelyek felelősek azoknak a tulajdonságoknak, amelyekre egy organizmus kifejlődik. De a vonás különböző formái - sörény vagy nem sörény - gyakorlatilag azonos genetikai információból származhatnak. Továbbá, a vonások nem egyformán szexuálisan dimorfok. Míg a páva és a borsó farka rendkívül különbözik egymástól, például lábuk nagyjából azonos.
Számos tudományos kérdés megválaszolása szempontjából elengedhetetlen annak megértése, hogy a formának ez a variációja - amit a genetikusok fenotípusos variációnak hívnak - felvázolva, többek között az, hogy az evolúció során új tulajdonságok mutatkoznak meg, és hogy egy komplex betegség hogyan alakul ki egy élet során.
Tehát a kutatók közelebbről megvizsgálták a genomot, és megvizsgálták azokat a géneket, amelyek felelősek a nemek közötti különbségekért és az egy nem szerinti tulajdonságok között. A szexuálisan dimorf tulajdonságok kulcsa egy transzkripciós faktornak nevezett fehérjefajta, amelynek feladata a gének „be” és „kikapcsolása”.
A trágyabogarakkal végzett saját munkánk során kollégáimmal és én megszabadítottuk arról, hogy ezek a transzkripciós tényezők hogyan vezetnek a férfiak és nők eltérő vonásaihoz. Nagyon sok köze van ahhoz, amit úgynevezett „alternatív gén-splicing” -nek nevezünk - egy olyan jelenséghez, amely lehetővé teszi, hogy egy gén különböző fehérjéket kódoljon, attól függően, hogy az építőelemek hogyan kapcsolódnak egymáshoz.
A doublesex gén vizuálisan nyilvánvaló szexuális dimorfizmust eredményez a pillangó Papilio poliitában, a közönséges mormonban. Nő (felső), férfi (alsó). (Jeevan Jose, Kerala, India, CC BY-SA) Az évek során a tudósok különböző csoportjai különféle állatokkal dolgoztak egymással, hogy azonosítsák a nemi identitást formáló géneket; rájöttek, hogy ezeknek a géneknek sok a közös régiója. Ezt a génrégiót mind a mab-3 féreg génben, mind a doublesex rovargénben találták meg, így az e régió DMRT génjeit tartalmazó hasonló géneket „doublesex mab-hoz kapcsolódó transzkripciós faktorok” -nak nevezték el.
Ezek a gének azokat a DMRT-fehérjéket kódolják, amelyek be- vagy kikapcsolják más gének leolvasását vagy expresszióját. Ennek érdekében géneket keresnek a DNS-ben, kötődnek ezekhez a génekhez, és megkönnyítik vagy megnehezítik a genetikai információk elérését. Annak ellenőrzésével, hogy a genom mely részei expresszálódnak, a DMRT fehérjék a férfiasságra vagy a nősségre jellemző termékekhez vezetnek. Összehangolják a gének expresszióját a megfelelő nemmel és tulajdonsággal.
A DMRT-k szinte mindig férfiaságot adnak. Például DMRT nélkül a hím egerekben a hereszövetek romlanak. Amikor a nőstény egerekben kísérleti úton előállítják a DMRT-t, akkor azok hereszövetet fejlesztenek ki. A here kifejlesztésének elősegítése ez a legtöbb állat közös, a halaktól és a madaraktól kezdve a férgekig és kagylókig.
A DMRT-k még a férfiasságot is biztosítják az állatokban, ahol az egyedeken mind herék, mind petefészek fejlődik ki. Azokban a halakban, amelyek szekvenciális hermaphroditizmust mutatnak - ahol az ivarcsontok nőstől férfivé válnak, vagy fordítva, ugyanazon egyénen belül - a DMRT expresszió viaszolása és csökkenése a hereszövetek megjelenését és regresszióját eredményezi. Hasonlóképpen, azokban a teknősökben, amelyek a tojásban tapasztalt hőmérsékletek alapján hímnek vagy nősté válnak, a DMRT-t az embriók nemi szöveteiben termelik, amelyek férfiakat elősegítő hőmérsékletnek vannak kitéve.
A rovarokban a helyzet kissé eltér. Először: a DMRT ( dupla szex ) szerepe a szexuális dimorfizmus kialakításában a gonidokon túl a test más részeire is kiterjed, ideértve a szájrészeket, a szárnyas csapokat és a párosító sörtéket is, amelyeket „nemi fésűk” -nek neveznek.
A darabok összeállításának módjától függően egy gén számos különböző fehérjét eredményezhet. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Másodszor, a hím és a nőstény rovarok létrehozzák a kettős szexuális fehérje saját verzióját az úgynevezett „alternatív gén splicingként”. Ez egy módszer arra, hogy egyetlen gén több fehérjét kódoljon . Mielőtt a géneket fehérjévé változtatnák, azokat be kell kapcsolni; vagyis átírták a fehérje előállításának útmutatásaiba.
Az utasítások azonban tartalmaznak mind hasznos, mind idegen információkat tartalmazó információkat, így a hasznos részeket össze kell varrni, hogy elkészítsék a végső fehérje utasításokat. A hasznos régiók különböző módon történő kombinálásával egyetlen gén több fehérjét képes előállítani. A férfi és a nőstény rovarokban ez az alternatív gén-splicing eredményezi a doublesex fehérjék viselkedését minden nemben.
Tehát egy nőben a doublesex gén utasításai tartalmazhatják az 1., a 2. és a 3. szekciót, míg a férfiak esetében ugyanaz az utasítás csak a 2. és a 3. szekciót tartalmazhatja. A kapott fehérjék mindegyikének saját hatása van a genetikai kód egyes részeire. be- vagy kikapcsolása - hatalmas szájrészű hímhez, például nő nélkül.
Hogyan szabályozzák a dupszex férfi és női formái a géneket, hogy hím és női tulajdonságokat hozzanak létre? Kutatócsoportunk erre a kérdésre válaszolt trágyabogarakkal, amelyek kivételesen sok fajban vannak (több mint 2000), széles körben elterjedtek (Antarktisz kivételével minden kontinensen laknak), sokoldalúak (mindenféle trágyát fogyasztanak), és szexuálisan dimorf tulajdonságban elképesztő sokféleséget mutatnak: szarv .
A doublesex génnek köszönhetően a Cyclommatus metallifer szarvasbogárban a hímek mandibulai (jobbra) sokkal nagyobbak, mint a nőstények (balra). (Http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) A bikafejű trágya-bogárra, az Onthophagus taurus -ra összpontosítottunk, amely fajban a hímek nagy, bikaszerű fejszarvot hoznak létre, de a nőstények szarv nélkül maradnak. Megállapítottuk, hogy a doublesex fehérjék kétféle módon szabályozzák a géneket.
A legtöbb tulajdonság szerint a nemben a különböző géneket szabályozza. Itt a doublesex nem „ váltásként ” működik a két lehetséges szexuális kimenetel között, hanem inkább a férfiasságot és a nőiességet adja az egyes nemeknek. Másképpen fogalmazva: ezek a tulajdonságok nem állnak bináris döntéssel a férfiak vagy nőkké válás között, egyszerűen nem szexuálisak és készen állnak a további utasításokra.
A történet más a trágyabogarak fejszarvával. Ebben az esetben a doublesex inkább kapcsolóként működik, és mindkét nemben ugyanazokat a géneket szabályozza, de ellentétes irányban. A női fehérje elnyomta a nőstények géneit, amelyeket egyébként a hím fehérje elősegít a férfiakban. Miért lenne evolúciós ösztönző erre?
Adataink arra utaltak, hogy a női kettős szexfehérje ezt teszi, hogy elkerülje az úgynevezett „szexuális antagonizmust”. A természetben a fitneszt a természetes és a szexuális szelekció egyaránt kiváltja . A természetes szelekció olyan tulajdonságokkal jár, amelyek növelik a túlélést, míg a szexuális szelekció olyan tulajdonságokkal jár, amelyek növelik a férfiakhoz való hozzáférést.
Ezek az erők néha egyetértésben vannak, de nem mindig. A hím O. taurus nagy fejszarvja növeli a férfiakhoz való hozzáférést, de ugyanazok a szarvak gondot jelentenek azoknak a nőstényeknek, akiknek utódjaik emelése érdekében a föld alatti alagútba kell járniuk. Ez a nemek közötti feszültséget vagy szexuális antagonizmust hoz létre, amely korlátozza a faj általános alkalmasságát. Ha azonban a női doublesex fehérje „kikapcsolja” azokat a géneket, amelyek a hímekben a kürt növekedéséért felelősek, az egész faj jobban teljesít.
Folyamatos kutatásunk arra irányul, hogy hogyan fejlődött a doublesex a trágyabogarak szexuális dimorfizmusának hatalmas sokszínűsége érdekében. A fajok között a szarv megtalálható a test különböző részein, eltérően növekszik a különböző minőségi étrend hatására, és még nőstényekben is fordulhat elő, nem férfiakban.
Például az Onthophagus sagittarius esetében a nőstény növeli jelentős szarvát, míg a hímek szarv nélkül maradnak. Ez a faj mindössze öt millió évvel eltér az O. taurus-tól, ez csupán egy csepp idő a rovarok evolúciós vödörében. Ami a perspektívát illeti, a bogarak körülbelül 225 millió évvel ezelőtt eltértek a legyektől. Ez arra utal, hogy a doublesex gyorsan fejlődhet, hogy megszerezze, átkapcsolja vagy módosítsa a kürtfejlődés alapjául szolgáló gének szabályozását.
Hogyan segíti elő a kettős szex szexuálisan dimorf rovarok jellemzőiben betöltött szerepének megértése más állatok, még az emberek fenotípusos eltéréseinek megértését?
Annak ellenére, hogy a DMRT-k emlősökben csak egy formája vannak összeillesztve és elsősorban férfiakban hatnak, más emberi gének többsége alternatív módon összekapcsolt; csakúgy, mint a rovarok doublesex génje, a legtöbb emberi génnek különböző régiói vannak, amelyek különböző sorrendben összekapcsolhatók, eltérő eredményekkel. Alternatív módon az összekapcsolt géneknek megkülönböztető vagy ellentétes hatásai lehetnek annak alapján, hogy melyik nemben vagy tulajdonságban fejezzék ki őket. Ha megértjük, hogy az alternatív módon összekapcsolt gének által termelt proteinek hogyan viselkednek a különböző szövetekben, nemben és környezetben, akkor kiderül, hogy egy genom hogyan képes sokféle formát előállítani a kontextustól függően.
Végül az alázatos trágya-bogár-szarvak bepillanthatnak belőlük az állati formák hatalmas bonyolultságának mechanizmusaiba, beleértve az embereket is.
Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta.
Cris Ledón-Rettig, biológiai posztdoktori ösztöndíj, Indiana University, Bloomington
