Φανταστείτε ένα λιοντάρι: Το αρσενικό έχει μια πλούσια χαίτη, το θηλυκό δεν το κάνει. Αυτό είναι ένα κλασικό παράδειγμα αυτού που οι βιολόγοι ονομάζουν σεξουαλικό διμορφισμό - τα δύο φύλα του ίδιου είδους παρουσιάζουν διαφορές στη μορφή ή τη συμπεριφορά. Τα αρσενικά και τα θηλυκά λιοντάρια μοιράζονται σχεδόν την ίδια γενετική πληροφορία, αλλά φαίνονται αρκετά διαφορετικά.
Είμαστε συνηθισμένοι να σκεφτόμαστε τα γονίδια ως υπεύθυνα για τα γνωρίσματα που αναπτύσσει ένας οργανισμός. Αλλά διαφορετικές μορφές χαίτης ή μη-χαίτης μπορεί να προκύψουν από πρακτικά πανομοιότυπες γενετικές πληροφορίες. Επιπλέον, τα γνωρίσματα δεν είναι όλα εξ ίσου σεξουαλικά διμορφικά. Ενώ οι ουρές των παγώνων και των αχλαδιών είναι εξαιρετικά διαφορετικές, τα πόδια τους, για παράδειγμα, είναι σχεδόν τα ίδια.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτή η διακύμανση της μορφής - που οι γενετιστές αποκαλούν φαινοτυπική διακύμανση - είναι καθοριστική για την απάντηση σε πολλά επιστημονικά ερωτήματα, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου εμφάνισης νέων χαρακτηριστικών κατά την εξέλιξη και του πόσο σύνθετες ασθένειες εμφανίζονται κατά τη διάρκεια μιας ζωής.
Έτσι, οι ερευνητές έδωσαν μια πιο προσεκτική ματιά στο γονιδίωμα, αναζητώντας τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για τις διαφορές μεταξύ των φύλων και μεταξύ των χαρακτηριστικών μέσα σε ένα φύλο. Το κλειδί για αυτά τα σεξουαλικά διμορφικά χαρακτηριστικά φαίνεται να είναι ένα είδος πρωτεΐνης που ονομάζεται μεταγραφικός παράγοντας, του οποίου η δουλειά είναι να μετατρέπει τα γονίδια "σε" και "εκτός".
Στη δική μας δουλειά με σκαθάρια, οι συνάδελφοί μου και εγώ ξεδιπλώνουμε με ποιον τρόπο αυτοί οι μεταγραφικοί παράγοντες οδηγούν πραγματικά στα διαφορετικά χαρακτηριστικά που βλέπουμε στα αρσενικά και τα θηλυκά. Πολλά από αυτά έχουν να κάνουν με κάτι που ονομάζεται "εναλλακτική γονιμοποίηση" -ένα φαινόμενο που επιτρέπει σε ένα μόνο γονίδιο να κωδικοποιεί για διαφορετικές πρωτεΐνες, ανάλογα με το πώς τα δομικά στοιχεία ενώνονται μεταξύ τους.
Το doublesex του γονιδίου παράγει οπτικά προφανή σεξουαλικό διμορφισμό στα πεταλούδα Papilio polytes, το κοινό Mormon. Θηλυκό (άνω), αρσενικό (κάτω). (Jeevan Jose, Kerala, Ινδία, CC BY-SA) Με τα χρόνια, διαφορετικές ομάδες επιστημόνων συνεργάστηκαν ανεξάρτητα με διάφορα ζώα για να εντοπίσουν γονίδια που διαμορφώνουν τη σεξουαλική ταυτότητα. συνειδητοποίησαν ότι πολλά από αυτά τα γονίδια μοιράζονται μια συγκεκριμένη περιοχή. Αυτή η γονιδιακή περιοχή βρέθηκε και στο γονίδιο maB-3 του σκουληκιού και στο doublesex του γονιδίου των εντόμων, οπότε ονόμασαν παρόμοια γονίδια που περιείχαν αυτά τα γονίδια DMRT της περιοχής, για "μεταγραφικούς παράγοντες σχετιζόμενους με το doublesex mab".
Αυτά τα γονίδια κωδικοποιούν πρωτεΐνες DMRT που ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν την ανάγνωση ή έκφραση άλλων γονιδίων. Για να γίνει αυτό, αναζητούν γονίδια στο DNA, δεσμεύουν τα γονίδια αυτά και καθιστούν ευκολότερη ή πιο δύσκολη την πρόσβαση στις γενετικές πληροφορίες. Ελέγχοντας τα τμήματα του γονιδιώματος που εκφράζονται, οι πρωτεΐνες DMRT οδηγούν σε προϊόντα που χαρακτηρίζουν την ομορφιά ή τη θηλυκότητα. Ταιριάζουν με την έκφραση των γονιδίων στο σωστό σεξ και το χαρακτηριστικό.
Οι DMRT σχεδόν πάντα αποδίδουν την ομορφιά. Για παράδειγμα, χωρίς DMRT, ο ιστός όρχεων σε αρσενικούς ποντικούς επιδεινώνεται. Όταν το DMRT παράγεται πειραματικά σε θηλυκά ποντίκια, αναπτύσσουν ιστό όρχεων. Αυτή η δουλειά για την προώθηση της ανάπτυξης των όρχεων είναι κοινή για τα περισσότερα ζώα, από τα ψάρια και τα πουλιά έως τα σκουλήκια και τα μύδια.
Τα DMRTs προσφέρουν ακόμη και την ομορφιά στα ζώα όπου τα άτομα αναπτύσσουν αμφότερους τους όρχεις και τις ωοθήκες. Σε ψάρια που παρουσιάζουν διαδοχικό ερμαφροδίτιδα - όπου οι γονάδες αλλάζουν από θηλυκό σε αρσενικό ή αντίστροφα, στο ίδιο άτομο - η αποτρίχωση και η πτώση της έκφρασης DMRT οδηγούν στην εμφάνιση και την υποχώρηση του ιστού των όρχεων αντίστοιχα. Ομοίως, στις χελώνες που γίνονται αρσενικές ή θηλυκές με βάση τις θερμοκρασίες που παρατηρούνται στο ωάριο, το DMRT παράγεται στον ιστό των γεννητικών οργάνων των εμβρύων που εκτίθενται σε θερμοκρασίες προαγωγής των αρσενικών.
Η κατάσταση είναι λίγο διαφορετική στα έντομα. Κατ 'αρχάς, ο ρόλος του DMRT (doublesex) στη δημιουργία του σεξουαλικού διμορφισμού έχει επεκταθεί πέρα από τα γονάτια σε άλλα μέρη του σώματος, συμπεριλαμβανομένων των mouthparts, των κουνελιών και των ζευγαρωδών τριχών που ονομαζόταν "χτένες του φύλου".
Ανάλογα με το πώς τα τεμάχια είναι μαζί, ένα γονίδιο μπορεί να οδηγήσει σε διάφορες διαφορετικές πρωτεΐνες. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Δεύτερον, τα αρσενικά και θηλυκά έντομα παράγουν τις δικές τους εκδοχές της πρωτεΐνης doublesex μέσω αυτού που ονομάζεται "εναλλακτική γονιμοποίηση". Αυτός είναι ένας τρόπος για ένα ενιαίο γονίδιο να κωδικοποιεί για πολλαπλές πρωτεΐνες. Πριν τα γονίδια μετατραπούν σε πρωτεΐνες, πρέπει να ενεργοποιηθούν. δηλαδή, μεταγράφεται σε οδηγίες για τον τρόπο κατασκευής της πρωτεΐνης.
Αλλά οι οδηγίες περιέχουν τόσο χρήσιμες όσο και εξωγενείς περιοχές πληροφοριών, έτσι ώστε τα χρήσιμα μέρη πρέπει να είναι ραμμένα μαζί για να δημιουργηθούν οι τελικές οδηγίες πρωτεΐνης. Συνδυάζοντας τις χρήσιμες περιοχές με διάφορους τρόπους, ένα μόνο γονίδιο μπορεί να παράγει πολλαπλές πρωτεΐνες. Στα αρσενικά και θηλυκά έντομα, είναι αυτό το εναλλακτικό γονιδιακό μάτισμα που έχει ως αποτέλεσμα να συμπεριφέρονται οι πρωτεΐνες doublesex διαφορετικά σε κάθε φύλο.
Έτσι σε ένα θηλυκό, οδηγίες από το γονίδιο doublesex θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν τα τμήματα 1, 2 και 3, ενώ σε ένα αρσενικό η ίδια οδηγία θα μπορούσε να περιλαμβάνει μόνο 2 και 3. Οι διαφορετικές προκύπτουσες πρωτεΐνες θα είχαν το καθένα το δικό τους αποτέλεσμα σε ποια μέρη του γενετικού κώδικα είναι ενεργοποιημένα ή απενεργοποιημένα και οδηγούν σε ένα αρσενικό με τεράστια στόμια και μια γυναίκα χωρίς, για παράδειγμα.
Πώς οι αρσενικές και θηλυκές μορφές του διπλοσέγους ρυθμίζουν τα γονίδια ώστε να παράγουν τα αρσενικά και θηλυκά χαρακτηριστικά; Η ερευνητική μας ομάδα απάντησε σε αυτό το ερώτημα χρησιμοποιώντας σκαθάρια, οι οποίες είναι εξαιρετικά πολυάριθμες σε είδη (πάνω από 2.000), ευρέως διαδεδομένα (που κατοικούν σε κάθε ήπειρο εκτός της Ανταρκτικής), είναι ευπροσάρμοστα και καταναλώνουν κάθε είδος κοπριάς και παρουσιάζουν εκπληκτική ποικιλομορφία σε ένα σεξουαλικά διμορφικό χαρακτηριστικό: .
Χάρη στο γονίδιο doublesex, στο σκαθάρι των σκαθασιών Cyclommatus metallifer, οι γνάθοι των αρσενικών (δεξιά) είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές των θηλυκών (αριστερά). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Έχουμε επικεντρωθεί στο σκαθάρι κοκκινόψαρο Onthophagus taurus, ένα είδος στο οποίο τα αρσενικά παράγουν μεγάλα κεράσια κεφαλής, αλλά τα θηλυκά παραμένουν χωρίς κέρατα. Διαπιστώσαμε ότι οι πρωτεΐνες doublesex μπορούν να ρυθμίσουν τα γονίδια με δύο τρόπους.
Στα περισσότερα χαρακτηριστικά, ρυθμίζει διαφορετικά γονίδια σε κάθε φύλο. Εδώ, το doublesex δεν δρα ως "εναλλαγή" μεταξύ δύο πιθανών σεξουαλικών αποτελεσμάτων, αλλά αντ 'αυτού αποδίδοντας την ανδρική και γυναικεία φύση σε κάθε φύλο ανεξάρτητα. Με άλλο τρόπο, αυτά τα γνωρίσματα δεν αντιμετωπίζουν δυαδική απόφαση ανάμεσα στο να γίνουν άνδρες ή γυναίκες, είναι απλώς ασεξουαλικά και έτοιμοι για περαιτέρω οδηγίες.
Η ιστορία είναι διαφορετική για τα κέρατα κεφαλής των σκαθαριών. Σε αυτή την περίπτωση, το doublesex λειτουργεί περισσότερο σαν διακόπτης, ρυθμίζοντας τα ίδια γονίδια και στα δύο φύλα αλλά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η θηλυκή πρωτεΐνη καταστέλλει γονίδια σε θηλυκά που διαφορετικά θα προωθούσε η αρσενική πρωτεΐνη στα αρσενικά. Γιατί θα υπάρξει ένα εξελικτικό κίνητρο για να γίνει αυτό;
Τα δεδομένα μας υπονοούσαν ότι η γυναικεία πρωτεΐνη doublesex το κάνει αυτό για να αποφύγει αυτό που είναι γνωστό ως «σεξουαλικός ανταγωνισμός». Στη φύση, η γυμναστική είναι γλυπτή τόσο από φυσική όσο και από σεξουαλική επιλογή. Η φυσική επιλογή ευνοεί τα χαρακτηριστικά που αυξάνουν την επιβίωση, ενώ η σεξουαλική επιλογή ευνοεί τα χαρακτηριστικά που αυξάνουν την πρόσβαση στους συντρόφους.
Μερικές φορές αυτές οι δυνάμεις συμφωνούν, αλλά όχι πάντα. Τα μεγάλα κέρατα κεφαλής του αρσενικού O. taurus αυξάνουν την πρόσβασή τους σε συντρόφους, αλλά τα ίδια κέρατα θα είναι μια ταλαιπωρία για τα θηλυκά που πρέπει να τούνουν υπόγεια για να αυξήσουν τους απογόνους τους. Αυτό δημιουργεί ένταση μεταξύ των φύλων ή του σεξουαλικού ανταγωνισμού, που περιορίζει τη γενική ικανότητα του είδους. Ωστόσο, αν η γυναικεία πρωτεΐνη doublesex μετατρέπει τα γονίδια "off" στα αρσενικά που είναι υπεύθυνα για την ανάπτυξη του κέρατος, το όλο είδος βελτιώνεται.
Η συνεχής έρευνα μας εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο αναπτύχθηκε το doublesex για να δημιουργηθεί η τεράστια ποικιλομορφία του σεξουαλικού διμορφισμού στους σκαθάρια. Στα είδη, τα κέρατα βρίσκονται σε διαφορετικές περιοχές του σώματος, αναπτύσσονται διαφορετικά ως απάντηση σε διαφορετικές ποιοτικές διατροφές και μπορούν να εμφανιστούν και σε θηλυκά και όχι σε αρσενικά.
Στην Onthophagus sagittarius, για παράδειγμα, είναι η γυναίκα που μεγαλώνει σημαντικά κέρατα, ενώ τα αρσενικά παραμένουν χωρίς κέρατα. Αυτό το είδος απέχει μόνο πέντε εκατομμύρια χρόνια από τον O. taurus, μια απλή πτώση του χρόνου στον εξελικτικό κάδο για έντομα. Για προοπτική, οι σκαθάρια αποκλίνουν από τις μύγες περίπου 225 εκατομμύρια χρόνια πριν. Αυτό υποδηλώνει ότι το doublesex μπορεί να εξελιχθεί γρήγορα για να αποκτήσει, να αλλάξει ή να τροποποιήσει τη ρύθμιση των γονιδίων στα οποία βρίσκεται η ανάπτυξη του κέρατος.
Πώς θα κατανοήσουμε το ρόλο του doublesex στα σεξουαλικά χαρακτηριστικά των εντόμων σε σχέση με τη σεξουαλική διάπλαση, που θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τη φαινοτυπική διαφοροποίηση σε άλλα ζώα, ακόμα και στον άνθρωπο;
Παρά το γεγονός ότι τα DMRTs είναι συναρμολογημένα ως μία μόνο μορφή στα θηλαστικά και δρουν κυρίως σε άντρες, η πλειοψηφία άλλων ανθρώπινων γονιδίων είναι εναλλακτικά συζευγμένα. όπως ακριβώς και το γονίδιο doublesex των εντόμων, τα περισσότερα ανθρώπινα γονίδια έχουν διάφορες περιοχές που μπορούν να συναρμολογηθούν σε διαφορετικές παραγγελίες με ποικίλα αποτελέσματα. Εναλλακτικά, τα συναρμολογημένα γονίδια μπορούν να έχουν ξεχωριστά ή αντίθετα αποτελέσματα με βάση το φύλο ή το χαρακτηριστικό που εκφράζουν. Η κατανόηση του τρόπου συμπεριφοράς των πρωτεϊνών που παράγονται από εναλλακτικά ματισμένα γονίδια σε διαφορετικούς ιστούς, φύλα και περιβάλλοντα θα αποκαλύψει πώς ένα γονιδίωμα μπορεί να παράγει ένα πλήθος μορφών ανάλογα με το πλαίσιο.
Στο τέλος, τα κέρατα των ταπεινών σκαθαριών μπορούν να μας δώσουν μια ματιά στους μηχανισμούς που αποτελούν τη βάση της τεράστιας πολυπλοκότητας των ζωικών μορφών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Cris Ledron-Rettig, Μεταδιδακτορικός Συνεργάτης Βιολογίας, Ιντιάνα Πανεπιστήμιο, Bloomington
