Forestil dig en løve: Hanen har en frodig man, kvinden gør det ikke. Dette er et klassisk eksempel på, hvad biologer kalder seksuel dimorfisme - de to køn af samme art udviser forskelle i form eller opførsel. Han- og kvindeløver deler stort set den samme genetiske information, men ser ganske forskellige ud.
Vi er vant til at tænke på gener som ansvarlige for de træk, en organisme udvikler. Men forskellige former for en egenskab - manke eller ingen mane - kan opstå fra praktisk taget identiske genetiske oplysninger. Yderligere er træk ikke alle lige så seksuelt dimorfe. Mens halerne på påfugle og pæner er ekstremt forskellige, er deres fødder f.eks. Stort set de samme.
At forstå, hvordan denne variation af form - hvad genetikere kalder fænotypisk variation - opstår, er afgørende for at besvare flere videnskabelige spørgsmål, herunder hvordan nye træk vises under evolutionen, og hvordan komplekse sygdomme opstår i løbet af en levetid.
Så forskere har kigget nærmere på genomet og kigget efter de gener, der er ansvarlige for forskelle mellem køn og mellem træk inden for et køn. Nøglen til disse seksuelt dimorfe egenskaber ser ud til at være en slags protein, der kaldes en transkriptionsfaktor, hvis opgave det er at slå gener “til” og “fra”.
I vores eget arbejde med møkkebiller er mine kolleger og jeg at forvirre, hvordan disse transkriptionsfaktorer faktisk fører til de forskellige træk, vi ser hos mænd og kvinder. Meget af det har at gøre med noget, der kaldes ”alternativ gensplejning” - et fænomen, der tillader et enkelt gen at kode for forskellige proteiner, afhængigt af hvordan byggestenene er sammenføjet.
Gendublesex producerer visuelt indlysende seksuel dimorfisme i sommerfuglen Papilio-polytter, den almindelige Mormon. Kvinde (øverst), han (nederst). (Jeevan Jose, Kerala, Indien, CC BY-SA) I årenes løb arbejdede forskellige grupper af forskere uafhængigt af hinanden med forskellige dyr for at identificere gener, der former seksuel identitet; de indså, at mange af disse gener deler en bestemt region. Denne genregion blev fundet i både ormegenet mab-3 og insektgenet doublesex, så de navngav lignende gener, der indeholdt denne region DMRT-gener, for "doublesex mab-relaterede transkriptionsfaktorer."
Disse gener koder for DMRT-proteiner, der tænder eller slukker for læsning eller ekspression af andre gener. For at gøre dette søger de gener i DNA, binder til disse gener og gør det enten lettere eller sværere at få adgang til den genetiske information. Ved at kontrollere, hvilke dele af genomet, der udtrykkes, fører DMRT-proteiner til produkter, der er karakteristiske for ondskabsfuldhed eller hunnhed. De matcher udtrykket af gener til det rigtige køn og træk.
DMRT'er giver næsten altid usindelighed. For eksempel, uden DMRT, forværres testikelvæv hos hanmus. Når DMRT fremstilles eksperimentelt i hunmus, udvikler de testikelvæv. Dette job med at fremme testisudvikling er fælles for de fleste dyr, fra fisk og fugle til orme og muslinger.
DMRT'er tildeler endda maleness hos dyr, hvor individer udvikler både testikler og æggestokke. Hos fisk, der udviser sekventiel hermafroditisme - hvor gonader skifter fra hun til mand eller omvendt inden for det samme individ - resulterer voksningen og aftagelsen af DMRT-ekspression i henholdsvis udseendet og regression af testikelvæv. Ligeledes fremstilles DMRT i skildpadder, der bliver mandlige eller kvindelige baseret på temperaturer, der opleves i ægget, i kønsvævet hos embryoner, der udsættes for mandlige fremmende temperaturer.
Situationen er lidt anderledes hos insekter. For det første har DMRT ( doublesex ) rolle i at generere seksuel dimorfisme udvidet ud over gonader til andre dele af kroppen, inklusive munddele, vingerpotter og parringbørster, der rigtig kaldes "sexkam."
Afhængigt af hvordan brikkerne er sat sammen, kan et gen resultere i et antal forskellige proteiner. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) For det andet genererer mandlige og kvindelige insekter deres egne versioner af doublesex- proteinet via det, der kaldes “alternativ genskæring ”. Dette er en måde for et enkelt gen at kode for flere proteiner. Før gener omdannes til proteiner, skal de tændes "til"; det vil sige transkriberes til instruktioner til, hvordan man bygger proteinet.
Men instruktionerne indeholder både nyttige og fremmede områder med information, så de nyttige dele skal sys sammen for at skabe de endelige proteininstruktioner. Ved at kombinere de nyttige regioner på forskellige måder kan et enkelt gen producere flere proteiner. Hos mandlige og kvindelige insekter er det dette alternative genopskæring, der resulterer i, at doublesex- proteinerne opfører sig forskelligt i hvert køn.
Så hos en kvinde kan instruktioner fra doublesex- genet omfatte sektioner 1, 2 og 3, mens hos en mand den samme instruktion muligvis kun kan omfatte 2 og 3. De forskellige resulterende proteiner ville hver have deres egen virkning på, hvilke dele af den genetiske kode er slået til eller fra - hvilket fører til en mand med enorme munddele og en hun uden for eksempel.
Hvordan regulerer mandlige og kvindelige former for doublesex gener til at producere mandlige og kvindelige træk? Vores forskningsgruppe besvarede dette spørgsmål ved hjælp af møkkebiller, der er usædvanligt mange i arter (over 2.000), udbredte (beboer hvert kontinent undtagen Antarktis), alsidige (forbruger omkring enhver type møde) og viser en fantastisk mangfoldighed i et seksuelt dimorf træk: horn .
Takket være doublesex-genet er i stagbiller Cyclommatus metallifer mandibler hos mænd (højre) meget større end hos kvinder (til venstre). (Http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Vi fokuserede på den tyrhovedet svampe- bille Onthophagus taurus, en art, hvor mænd producerer store, tyrlignende hovedhorn, men hunnerne forbliver hornløse. Vi fandt, at doublesex- proteiner kan regulere gener på to måder.
I de fleste træk regulerer det forskellige gener i hver køn. Her fungerer dobbeltesex ikke som en "skifte" mellem to mulige seksuelle resultater, men tildeler i stedet uafhængighed maleness og femaleness. Sagt på en anden måde, disse træk står ikke over for en binær beslutning mellem at blive mand eller kvinde, de er simpelthen aseksuelle og er klar til yderligere instruktion.
Historien er forskellig for gødebillernes hovedhorn. I dette tilfælde fungerer doublesex mere som en switch, der regulerer de samme gener hos begge køn, men i modsatte retninger. Det kvindelige protein undertrykkede gener hos hunner, som ellers ville blive fremmet af det mandlige protein hos mænd. Hvorfor ville der være et evolutionært incitament til at gøre dette?
Vores data antydede, at det kvindelige doublesex- protein gør dette for at undgå, hvad der er kendt som "seksuel antagonisme." I naturen er fitness formet af både naturlig og seksuel selektion. Naturlig selektion favoriserer træk, der øger overlevelsen, mens seksuel selektion favoriserer træk, der øger adgangen til kammerater.
Nogle gange er disse kræfter enige, men ikke altid. De store hovedhorn i mandlig O. taurus øger deres adgang til kammerater, men de samme horn ville være et besvær for kvinder, der er nødt til at gå under jorden for at opdrage deres afkom. Dette skaber en spænding mellem kønnene eller seksuel antagonisme, der begrænser artens generelle egnethed. Men hvis det kvindelige doublesex- protein slukker "gener", der hos mænd er ansvarlige for hornvækst, klarer hele arten det bedre.
Vores igangværende forskning handler om, hvordan doublesex har udviklet sig til at skabe den store mangfoldighed inden for seksuel dimorfisme i møkkebiller. På tværs af arter findes horn i forskellige kropsregioner, vokser forskelligt som respons på forskellige kvalitetsfødder og kan endda forekomme hos hunner snarere end mænd.
I Onthophagus sagittarius er det for eksempel kvinden, der vokser betydelige horn, mens mændene forbliver hornløse. Denne art er kun fem millioner år divergeret fra O. taurus, blot et fald af tid i den evolutionære spand for insekter. I perspektiv afviste biller fra fluer for omkring 225 millioner år siden. Dette antyder, at doublesex hurtigt kan udvikle sig til at erhverve, skifte eller ændre reguleringen af gener, der ligger til grund for hornudviklingen.
Hvordan vil forståelsen af doublesex 's rolle i seksuelt dimorfe insektegenskaber hjælpe os med at forstå fænotypisk variation hos andre dyr, også mennesker?
På trods af det faktum, at DMRT'er er splejsede som kun en form hos pattedyr og fungerer primært hos mænd, splejses flertallet af andre humane gener alternativt; ligesom insekters doublesex- gen har de fleste humane gener forskellige regioner, der kan splejses sammen i forskellige rækkefølge med forskellige resultater. Alternativt kan splejsede gener have forskellige eller modsatrettede virkninger baseret på hvilken køn eller egenskab de udtrykkes i. At forstå, hvordan proteiner, der produceres af alternativt splejsede gener, opfører sig i forskellige væv, køn og miljøer vil afsløre, hvordan et genom kan producere en lang række former afhængigt af kontekst.
I den sidste ende kan den ydmyge bjergkehorns horn give os et kig på mekanismerne, der ligger til grund for den enorme kompleksitet af dyreformer, inklusive mennesker.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, postdoktor i biologi, Indiana University, Bloomington
