Pilt lõvist: isasel on luksuslik laisk, emasel mitte. See on klassikaline näide sellest, mida bioloogid nimetavad seksuaalseks dimorfismiks - sama liigi kahel soost on erinev vorm või käitumine. Isastel ja emastel lõvidel on üsna sageli sama geneetiline teave, kuid näevad välja üsna erinevad.
Oleme harjunud mõtlema geenidele, mis vastutavad organismi arendatavate tunnuste eest. Kuid praktiliselt identsest geneetilisest informatsioonist võivad tuleneda tunnuse erinevad vormid - kas maneer või üldse mitte. Lisaks ei ole tunnused sugugi võrdselt dimorfsed. Kui paabulinnude ja herneste sabad on äärmiselt erinevad, on näiteks nende jalad peaaegu samad.
Mõistmine, kuidas selline vormivariant - mida geneetikud nimetavad fenotüüpseks variatsiooniks - tekib, on ülioluline mitmele teaduslikule küsimusele vastamiseks, sealhulgas sellele, kuidas evolutsiooni käigus ilmnevad uudsed jooned ja kuidas keerulised haigused ilmnevad kogu elu jooksul.
Nii on uurijad uurinud genoomi lähemalt, otsides geene, mis vastutavad sugude ja tunnuste vahelise erinevuse eest. Nende seksuaalselt dimorfsete tunnuste võti näib olevat mingi valk, mida nimetatakse transkriptsioonifaktoriks, mille ülesanne on lülitada geenid sisse ja välja.
Meie enda koos sõnnikumardikatega uurivad kolleegid, kuidas mina, kuidas need transkriptsioonifaktorid viivad erinevatele tunnustele, mida me meestel ja naistel näeme. Suur osa sellest on seotud nn alternatiivse geeni splaissimisega - nähtusega, mis võimaldab ühel geenil kodeerida erinevaid valke, sõltuvalt sellest, kuidas ehitusplokid on omavahel ühendatud.
Geeni doublesex tekitab liblikas Papilio polüüütides, tavalises mormoonis, visuaalselt ilmne seksuaalne dimorfism. Emane (ülemine), isane (alt). (Jeevan Jose, Kerala, India, CC BY-SA) Aastate jooksul töötasid erinevad teadlaste rühmad iseseisvalt erinevate loomadega, et tuvastada seksuaalset identiteeti kujundavad geenid; nad mõistsid, et paljudel neist geenidest on kindel piirkond. See geenipiirkond leiti nii ussi geenist mab-3 kui ka putukate geenist doublesex, seega nimetasid nad selle piirkonna DMRT geene sisaldavaid sarnaseid geene "doublesex mab-dega seotud transkriptsioonifaktoriteks".
Need geenid kodeerivad DMRT valke, mis lülitavad sisse või välja teiste geenide lugemise või ekspressiooni. Selleks otsivad nad geene DNA-st, seovad neid geene ja muudavad geneetilisele teabele juurdepääsu kas lihtsamaks või raskemaks. Kontrollides, milliseid genoomi osi ekspresseeritakse, viivad DMRT valgud produktideni, mis on iseloomulikud mehelisusele või naiselikkusele. Need vastavad geenide ekspressioonile õigele soole ja iseloomujoonele.
DMRT-d pakuvad peaaegu alati meelt. Näiteks ilma DMRTta halveneb isaste hiirte munandikoe. Kui DMRT toodetakse katseliselt emastel hiirtel, arenevad nad munandikoes. See munandite arengu edendamine on enamiku loomade jaoks tavaline, alates kaladest ja lindudest kuni usside ja karbikesteni.
DMRT-d annavad loomadele isegi hullu, kui inimestel arenevad nii munandid kui ka munasarjad. Kalades, kus ilmneb järjestikune hermafroditism - kus sugunäärmed muutuvad emasloomadest isasteks või vastupidi - sama isendi sees - põhjustab DMRT ekspressiooni vahatamine ja vähenemine vastavalt munandikoe väljanägemist ja regressiooni. Samuti tekivad DMRT-d kilpkonnides, mis muutuvad isasteks või emasteks muna temperatuurist lähtuvalt, embrüote suguelundite koes, mis on avatud meessoost soodustavale temperatuurile.
Putukate osas on olukord pisut erinev. Esiteks on DMRT ( doublesex ) roll seksuaalse dimorfismi tekitamisel laienenud sugunäärmetest kaugemale ka muudesse kehaosadesse, sealhulgas suuosadesse, tiibuotstesse ja paaritusharjastesse, mida nimetatakse „sekskommideks”.
Sõltuvalt sellest, kuidas tükid kokku pannakse, võib üks geen anda mitmeid erinevaid valke. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Teiseks genereerivad isased ja emased putukad oma topeltseksi valgu versioonid nn alternatiivse geeni splaissingu kaudu. See on viis, kuidas üks geen kodeerib mitut valku. Enne geenide valkudeks muutmist tuleb need sisse lülitada; see tähendab, et kirjutatakse üle valgu moodustamise juhisteks.
Kuid juhised sisaldavad nii kasulikku kui ka kõrvalist teabepiirkonda, nii et kasulikud osad tuleb lõplike valgujuhendite loomiseks õmmelda. Kombineerides kasulikke piirkondi erineval viisil, võib üks geen toota mitmeid valke. Isastel ja emastel putukatel põhjustab see alternatiivne geenide splaissimine selle, et kaksiksuunalised valgud käituvad mõlemast soost erinevalt.
Nii et naisel võivad topelt- geeni juhised sisaldada lõike 1, 2 ja 3, samal ajal kui meestel võib sama juhis sisaldada ainult lõikeid 2 ja 3. Erinevatel saadud valkudel oleks kummalgi geneetilise koodi osadele oma mõju on sisse või välja lülitatud - see viib näiteks tohutute suuosadega meessoost ja ilma naiseta.
Kuidas topeltsugu mees- ja naissoost vormid reguleerivad geene meeste ja naiste tunnuste saamiseks? Meie uurimisrühm vastas sellele küsimusele, kasutades sõnnamardikaid, mida on liikides erakordselt palju (üle 2000), laialt levinud (elavad igal mandril, välja arvatud Antarktika), mitmekülgsed (tarbivad igat tüüpi sõnnikut) ja näitavad hämmastavalt mitmekesist suguliselt dimorfset tunnust: sarved .
Tänu topelt-geeni geenile on peermardikas Cyclommatus metallifer isaste mandlid (paremal) palju suuremad kui emasloomadel (vasakul). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Keskendusime härjapeaga sõnnamardikale Onthophagus taurus - liigile, kus isased annavad suuri härjasarveid, kuid emased jäävad sarveta. Leidsime, et topelt- valgud võivad geene reguleerida kahel viisil.
Enamiku omaduste korral reguleerib see kummaski soos erinevaid geene. Doublesex ei toimi siin „lülitina“ kahe võimaliku seksuaalse tulemuse vahel, vaid annab meestele ja naiselikkusele selle asemel kummagi soo iseseisvalt. Teisisõnu - need tunnused ei pea meessoost või naiseks saamise suhtes vastu binaarset otsust, nad on lihtsalt aseksuaalsed ja valmis edasiseks juhendamiseks.
Sõnnide mardikate pea sarvedega on lugu erinev. Doublesex toimib sel juhul rohkem nagu lüliti, reguleerides samu geene mõlemas soos, kuid vastassuundades. Naissoost valk surus naistel alla geene, mida vastasel juhul propageeriks meesvalk. Miks peaks selleks olema evolutsiooniline stiimul?
Meie andmed vihjasid, et naissoost topeltvalk teeb seda selleks, et vältida nn seksuaalset antagonismi. Looduses kujundab sobivust nii loomulik kui ka seksuaalne valik. Looduslik valik soosib iseloomujooni, mis suurendavad ellujäämist, samas kui seksuaalne valik soosib iseloomujooni, mis suurendavad paaride juurdepääsu.
Mõnikord on need jõud ühel meelel, kuid mitte alati. Isaste O. tauruse suured pea sarved suurendavad nende ligipääsu paarikaaslastele, kuid samad sarved oleksid vaevaks emasloomadele, kes peavad järglaste kasvatamiseks maa alla tunneldama. See loob sugude vahelise pinge või seksuaalse antagonismi, mis piirab liigi üldist sobivust. Kui naissoost topelt- valk lülitab välja lülitatud geenid, mis meestel vastutavad sarvede kasvu eest, läheb kogu liik paremini.
Meie käimasolevad uuringud käsitlevad seda, kuidas doublesex on arenenud, et tekitada sõnnamardikate seksuaalse dimorfismi tohutut mitmekesisust. Sarnaselt sarvedele leidub sarvi erinevates kehapiirkondades, need kasvavad erineva kvaliteediga dieedi korral erinevalt ja võivad tekkida isegi naistel, mitte meestel.
Näiteks Onthophagus sagittariusel kasvab emasloomadel märkimisväärne sarv, samal ajal kui isased jäävad sarvetuks. See liik on O. taurusest lahkunud vaid viis miljonit aastat - see on vaid putukate evolutsioonikohras ajakulu. Perspektiivis erinesid mardikad kärbestest umbes 225 miljonit aastat tagasi. See viitab sellele, et topeltiseks võib kiiresti areneda, et omandada, vahetada või muuta sarvestumise aluseks olevate geenide regulatsiooni.
Kuidas aitab doublesexi rolli mõistmine seksuaalselt dimorfsetes putukaomadustes mõista fenotüübilist varieeruvust teiste loomade, isegi inimeste puhul?
Vaatamata asjaolule, et DMRT-d on põimitud ainult ühe vormina imetajatel ja toimivad peamiselt meestel, on suurem osa teistest inimese geenidest splaissitud; nii nagu putukate topeltseksi geenil, on ka enamikul inimgeenidest erinevad piirkonnad, mida saab omavahel kokku liimida erinevas järjekorras koos erineva tulemusega. Alternatiivselt splaissitud geenidel võib olla eristatav või vastandlik mõju sõltuvalt sellest, millises soo või iseloomujoonel neid väljendatakse. Mõistmise järgi, kuidas alternatiivselt splaissitud geenide toodetud valgud käituvad erinevates kudedes, sugudes ja keskkonnas, selgub, kuidas üks genoom võib tekitada arvukalt vorme sõltuvalt kontekstist.
Lõppkokkuvõttes võivad alandliku sõnnamardika sarved anda meile võimaluse uurida loomsete vormide, sealhulgas inimeste, tohutu keerukuse aluseks olevaid mehhanisme.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, Indiana ülikooli Bloomingtoni bioloogiadoktor
