Представете си лъв: Мъжкият има пищна грива, женската не. Това е класически пример за това, което биолозите наричат сексуален диморфизъм - двата пола от един и същи вид проявяват различия във формата или поведението. Мъжките и женските лъвове почти споделят една и съща генетична информация, но изглеждат доста различно.
Свикнали сме да мислим за гени като отговорни за чертите, които организмът развива. Но различни форми на черта - грива или никаква грива - могат да възникнат от практически идентична генетична информация. Освен това не всички черти са еднакво сексуално диморфни. Докато опашките на пауни и пауни са изключително различни, краката им например са почти еднакви.
Разбирането на начина, по който възниква тази разновидност на формата - това, което генетиците наричат фенотипична вариация, е от решаващо значение за отговорите на няколко научни въпроса, включително как се появяват нови черти по време на еволюцията и как се появяват сложни заболявания през целия живот.
Така изследователите погледнаха по-отблизо генома, търсейки гените, отговорни за разликите между половете и между чертите в един пол. Ключът към тези сексуално диморфни черти изглежда е един вид протеин, наречен транскрипционен фактор, чиято задача е да превключва гените „на“ и „изключено“.
В нашата собствена работа с бръмбари, моите колеги и аз се разплитаме как тези фактори на транскрипция всъщност водят до различните черти, които виждаме при мъжете и жените. Голяма част от него е свързана с нещо, наречено „алтернативно сплитане на гени“ - явление, което позволява на един ген да кодира различни протеини, в зависимост от това как строителните блокове са съединени заедно.
Генът дуплекс произвежда визуално очевиден сексуален диморфизъм в полипите на пеперудата Papilio, обикновеният мормон. Жена (отгоре), мъжка (отдолу). (Jeevan Jose, Керала, Индия, CC BY-SA) През годините различни групи учени независимо са работили с различни животни, за да идентифицират гени, които оформят сексуалната идентичност; те разбраха, че много от тези гени споделят конкретен регион. Този генен регион беше открит както в гена на червеите mab-3, така и в гена на насекомите двойносекс, така че те нарекоха подобни гени, съдържащи гените на този регион DMRT, за „фактори, свързани с транскрипция, свързани с двойносексуално маб“.
Тези гени кодират DMRT протеини, които включват или изключват четенето или експресията на други гени. За целта те търсят гени в ДНК, свързват се с тези гени и правят по-лесен или по-труден достъп до генетичната информация. Чрез контролиране на това, кои части от генома се експресират, протеините DMRT водят до продукти, характерни за мъжество или женственост. Те съответстват на експресията на гените с правилния пол и черта.
DMRTs почти винаги придават мъжество. Например, без DMRT, тестикуларната тъкан при мъжки мишки се влошава. Когато DMRT се произвежда експериментално при женски мишки, те развиват тъкан на тестисите. Тази работа за насърчаване развитието на тестисите е обща за повечето животни, от риби и птици до червеи и миди.
DMRTs дори придава мъжество при животни, при които хората развиват както тестиси, така и яйчници. При риби, които проявяват последователен хермафродитизъм - където половите жлези се променят от женски към мъжки или обратно, в рамките на един и същи индивид - нарастването и намаляването на DMRT експресията води до появата и регресията на тестикуларната тъкан, съответно. По същия начин, при костенурките, които стават мъжки или женски, въз основа на температурите, преживени в яйцеклетката, DMRT се произвежда в гениталната тъкан на ембрионите, изложени на стимулиращи мъжете температури.
При насекомите ситуацията е малко по-различна. Първо, ролята на DMRT ( двоен секс ) в генерирането на сексуален диморфизъм се разпростира отвъд половите жлези до други части на тялото, включително част от устата, крила и чифтосващи четинки, наречени „сексуални гребени“.
В зависимост от това как парчетата са събрани заедно, един ген може да доведе до множество различни протеини. (Крис Ледон-Реттиг, CC BY-ND) Второ, мъжките и женските насекоми генерират свои собствени версии на двойния секс протеин чрез така нареченото „алтернативно сплитане на гени“. Това е начин за един ген да кодира множество протеини. Преди гените да бъдат превърнати в протеини, те трябва да бъдат „включени”; тоест, преписани в инструкции как да изградим протеина.
Но инструкциите съдържат както полезни, така и външни области на информация, така че полезните части трябва да бъдат зашити, за да се създадат окончателните инструкции за протеини. Комбинирайки полезните региони по различни начини, един ген може да произведе множество протеини. При мъжките и женските насекоми именно това алтернативно сплитане на гени води до това, че двойносеменните протеини се държат различно при всеки пол.
Така че при женска инструкция от гена за двойно пол може да включва секции 1, 2 и 3, докато при мъжки същата инструкция може да включва само 2 и 3. Различните получени протеини биха имали свой собствен ефект върху кои части от генетичния код са включени или изключени - например, което води до мъжко с огромни ротови части и женско без, например.
Как мъжките и женските форми на двойния пол регулират гените, за да произвеждат мъжки и женски черти? Нашата изследователска група отговори на този въпрос, използвайки тор от бръмбари, които са изключително много по видове (над 2000), широко разпространени (обитават всеки континент с изключение на Антарктида), многостранни (консумират за всеки тип тор) и показват невероятно разнообразие в сексуално диморфна черта: рога,
Благодарение на двойния ген, в еленския бръмбар Cyclommatus metallifer, челюстите на мъжете (вдясно) са много по-големи от тези на женските (вляво). (Http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Ние се съсредоточихме върху бикоглавия бръмбар Onthophagus taurus, вид, при който мъжете произвеждат големи, подобни на бик рога, но женските остават без рога. Открихме, че двойнополовите протеини могат да регулират гените по два начина.
В повечето характеристики той регулира различни гени при всеки пол. Тук двойният секс не действа като „превключване“ между два възможни сексуални резултата, а вместо това дава мъжественост и женственост на всеки пол независимо. Казано по друг начин, тези черти не са изправени пред бинарно решение между това да станат мъже или жени, те просто са асексуални и са готови за по-нататъшни инструкции.
Историята е различна за главите на рога на бръмбарите. В този случай двойният секс действа по-скоро като превключвател, регулирайки едни и същи гени и при двата пола, но в противоположни посоки. Женските протеини потискат гените при жените, които иначе биха се насърчавали от мъжкия протеин при мъжете. Защо би имало еволюционен стимул за това?
Нашите данни загатнаха, че женският двоен секс протеин прави това, за да избегне това, което е известно като „сексуален антагонизъм.“ В природата фитнесът се извайва както от естествен, така и от сексуален подбор. Естественият подбор благоприятства чертите, увеличаващи оцеляването, докато сексуалният подбор предпочита черти, увеличаващи достъпа до приятели.
Понякога тези сили са в съгласие, но не винаги. Големите рога на главата на мъжкия O. taurus увеличават достъпа си до съдружници, но същите рога биха били проблеми за женските, които трябва да тунелират под земята, за да отгледат потомството си. Това създава напрежение между половете или сексуален антагонизъм, който ограничава цялостната годност на вида. Въпреки това, ако женският двоен секс протеин изключва гени, които при мъжете са отговорни за растежа на рога, целият вид се справя по-добре.
Нашите текущи изследвания се занимават с това как се е развил двойният секс, за да генерира огромното разнообразие в сексуалния диморфизъм при бръмбарите. Различните видове рога се намират в различни региони на тялото, растат по различен начин в отговор на диети с различно качество и дори могат да се появят при жени, а не при мъже.
Например в Стрелец на Онтофаг женската, която отглежда значителни рога, докато мъжките остават без рога. Този вид е само пет милиона години, отклонен от O. taurus, просто капка време в еволюционната кофа за насекоми. За перспектива бръмбарите се разминават с мухите преди около 225 милиона години. Това предполага, че двойният секс може да се развие бързо, за да придобие, да превключи или модифицира регулацията на гените, които са в основата на развитието на рога.
Как разбирането на ролята на двойния пол в сексуално диморфните черти на насекомите ще ни помогне да разберем фенотипичната вариация при други животни, дори хора?
Въпреки факта, че DMRTs са сплайсирани като само една форма при бозайници и действат предимно при мъже, по-голямата част от другите човешки гени са алтернативно сплайсирани; също като двойния ген на насекомите, повечето човешки гени имат различни региони, които могат да бъдат сплетени заедно в различни порядки с различни резултати. Алтернативно спланираните гени могат да имат ясни или противоположни ефекти въз основа на пола или чертата, в която се изразяват. Разбирането как протеините, които се произвеждат от алтернативно сплайни гени, се държат в различни тъкани, пол и среда, ще разкрият как един геном може да произведе множество форми в зависимост от контекста.
В крайна сметка роговете на скромния тор от бръмбар могат да ни надникнат в механизмите, които стоят в основата на огромната сложност на животинските форми, включително и на хората.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Крис Ледон-Реттиг, докторант по биология, Университета в Индиана, Блумингтън
