Kuva leijona: Uroslla on runsas harja, naisilla ei. Tämä on klassinen esimerkki siitä, mitä biologit kutsuvat seksuaaliseksi dimorfismiksi - saman lajin kahdella sukupuolella on eroja muodossa tai käyttäytymisessä. Uros- ja naarasleijonat jakavat melko saman geneettisen tiedon, mutta näyttävät aivan erilaisilta.
Olemme tottuneet ajattelemaan geenejä vastuullisina piirteistä, joita organismi kehittää. Mutta käytännöllisesti katsoen identtisestä geneettisestä tiedosta voi johtua piirteen eri muotoja - harja tai ei lainkaan. Lisäksi piirteet eivät ole kaikki yhtä seksuaalisesti dimorfisia. Vaikka riikinkukkojen ja pääherneiden hännät ovat erittäin erilaisia, esimerkiksi niiden jalat ovat melko samat.
Ymmärtäminen, kuinka tämä muodon variaatio - jota geneetikot kutsuvat fenotyyppiseksi variaatioksi - syntyy, on ratkaisevan tärkeää vastaamalla useisiin tieteellisiin kysymyksiin, mukaan lukien miten uudet piirteet ilmenevät evoluution aikana ja kuinka monimutkaiset sairaudet ilmaantuvat elinaikanaan.
Joten tutkijat ovat tarkastelleet lähemmin perimää, etsineet geenejä, jotka vastaavat sukupuolten välisistä eroista ja yhden sukupuolen piirteistä. Avain näihin seksuaalisesti dimorfisiin piirteisiin näyttää olevan eräänlainen proteiini, jota kutsutaan transkriptiotekijäksi, jonka tehtävänä on kytkeä geenit päälle ja pois.
Omassa työssämme lantakuoriaisten kanssa kollegani ja minä tiedämme kuinka nämä transkriptiotekijät tosiasiallisesti johtavat miehillä ja naisilla havaittuihin erityispiirteisiin. Suuri osa siitä liittyy niin kutsuttuun ”vaihtoehtoiseen geenin silmukointiin” - ilmiöön, joka sallii yhden geenin koodata erilaisia proteiineja riippuen siitä, kuinka rakennuspalikat yhdistetään.
Kaksinkertainen geeni tuottaa visuaalisesti ilmeistä seksuaalista dimorfiaa perhonen Papilio -polyiteissa, tavallisessa mormonissa. Nainen (ylhäällä), uros (alhaalla). (Jeevan Jose, Kerala, Intia, CC BY-SA) Vuosien mittaan eri tiedemiesryhmät työskentelivät itsenäisesti erilaisten eläinten kanssa tunnistaakseen geenit, jotka muovaavat seksuaalista identiteettiä; he tajusivat, että monilla näistä geeneistä on tietty alue. Tämä geenialue löydettiin sekä mato-geenistä mab-3 että hyönteisten geenistä doublesex, joten he nimittivät samanlaisia geenejä, jotka sisälsivät tämän alueen DMRT-geenejä, ”tuplasex-mab-liittyviin transkriptiotekijöihin”.
Nämä geenit koodaavat DMRT-proteiineja, jotka kytkevät päälle tai pois päältä muiden geenien lukeman tai ilmentymisen. Tätä varten he etsivät geenejä DNA: sta, sitoutuvat niihin ja tekevät geneettisten tietojen saamisen joko helpommaksi tai vaikeammaksi. Kontrolloimalla, mitä genomin osia ekspressoidaan, DMRT-proteiinit johtavat tuotteisiin, joille on ominaista maleniteetti tai naisellisuus. Ne vastaavat geenien ilmentymistä oikeaan sukupuoleen ja ominaisuuteen.
DMRT: t tarjoavat melkein aina mielenrauhaa. Esimerkiksi ilman DMRT: tä uroshiirien kivekudos huononee. Kun DMRT: tä tuotetaan kokeellisesti naarashiirissä, he kehittävät kiveksen. Tämä työ kiveksen kehityksen edistämisessä on yhteistä useimmille eläimille kaloista ja lintuista matoihin ja simpuihin.
DMRT: t antavat jopa urospuhtauden eläimille, joilla yksilöillä kehittyy sekä kiveksiä että munasarjat. Kaloissa, joissa esiintyy peräkkäistä hermafroditismia - kun sukurauhaset muuttuvat naispuolisista uroksiksi tai päinvastoin, saman yksilön sisällä - DMRT: n ekspression vahaaminen ja vähentyminen johtavat vastaavasti kiveyskudoksen ilmestymiseen ja regressioon. Samoin kilpikonnissa, joista tulee uroksia tai naarasia munassa koettujen lämpötilojen perusteella, DMRT: tä tuotetaan alkioiden sukupuolikudoksessa, jotka ovat alttiina urosta edistäville lämpötiloille.
Hyönteisten tilanne on hiukan erilainen. Ensinnäkin, DMRT: n ( kaksoisseksi ) rooli seksuaalisen dimorfismin luomisessa on laajentunut rauhasten ulkopuolelle muihin kehon osiin, mukaan lukien suuosat, siipipotit ja parilihaharjakset, jotka ovat nimeltään asianmukaisesti nimeltään “sukupuoliyhdistelmät”.
Riippuen siitä, kuinka palat on koottu, yksi geeni voi johtaa joukkoon erilaisia proteiineja. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Toiseksi, uros ja naaras hyönteiset tuottavat omat versionsa kaksoisproteiinista niin kutsutun "vaihtoehtoisen geenin silmukoinnin" kautta. Tämä on tapa, jolla yksi geeni koodaa useita proteiineja. Ennen kuin geenit muuttuvat proteiineiksi, ne on kytkettävä päälle; toisin sanoen, kirjoitetaan ohjeiksi proteiinin rakentamiseksi.
Mutta ohjeet sisältävät sekä hyödyllisiä että vieraita informaatioalueita, joten hyödylliset osat on ommeltava yhteen lopullisten proteiiniohjeiden luomiseksi. Yhdistämällä hyödylliset alueet eri tavoin, yksi geeni voi tuottaa useita proteiineja. Uros- ja naarashyönteisissä tämä vaihtoehtoinen geenipisarointi johtaa siihen, että kaksoispisteproteiinit käyttäytyvät eri tavoin kummassakin sukupuolella.
Joten naisilla tuplasex- geenin ohjeet voivat sisältää osiot 1, 2 ja 3, kun taas miehillä sama ohje saattaa sisältää vain 2 ja 3. Eri tuloksena olevilla proteiineilla olisi jokaisella oma vaikutus geneettisen koodin mihin osiin. on kytketty päälle tai pois päältä - mikä johtaa miehelle, jolla on valtavat suuosat, ja naispuoliselta, esimerkiksi ilman.
Kuinka kaksoissugulaisten uros- ja naismuodot säätelevät geenejä tuottamaan mies- ja naispiirreitä ? Tutkimusryhmämme vastasi tähän kysymykseen käyttämällä lannankuoriaisia, joita on poikkeuksellisen paljon lajeissa (yli 2000), laajalle levinnyt (asuu kaikilla mantereilla paitsi Antarktis), monipuolinen (kuluttaa kaikenlaista lantaa) ja osoittaa uskomattoman monimuotoisuutta seksuaalisesti dimorfisessa ominaisuudessa: sarvet .
Doublesex-geenin ansiosta polttaarkuoriaisessa Cyclommatus metallifer koirasruokat (oikealla) ovat paljon suurempia kuin naarailla (vasemmalla). (Http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Keskityimme härkäpään lannankovakuoriaiseen Onthophagus taurus -lajiin, jossa urokset tuottavat suuria, härkämäisiä pään sarvia, mutta naaraat pysyvät sarveettomina. Havaitsimme, että kaksoisseksiproteiinit voivat säädellä geenejä kahdella tavalla.
Useimmissa piirteissä se säätelee kunkin sukupuolen erilaisia geenejä. Tässä suhteessa tuplaseksi ei ole ”kytkin” kahden mahdollisen seksuaalisen lopputuloksen välillä, vaan antaa mieluummin ja naisellisuuden kullekin sukupuolelle itsenäisesti. Toisin sanoen, nämä piirteet eivät kohtaa binaarista päätöstä mies- tai naispuolisiksi tulemisen välillä, ne ovat yksinkertaisesti aseksuaalisia ja valmiita lisäohjeita varten.
Tarina on erilainen lantakuoriaisten pään sarvilla. Tässä tapauksessa kaksoisseksi toimii enemmän kuin kytkin, sääteleen samoja geenejä molemmissa sukupuolissa, mutta vastakkaisiin suuntiin. Naisproteiini tukahdutti naisilla geenit, joita miespuolinen proteiini muuten edistäisi. Miksi tätä varten olisi olemassa evoluutiokannustin?
Tietomme vihjasivat, että naispuolinen kaksoisproteiini tekee tämän välttääkseen niin kutsuttua seksuaalista antagonismia. Luonnossa kuntoa vetoaa sekä luonnollinen että seksuaalinen valinta. Luonnollinen valinta suosii ominaisuuksia, jotka lisäävät selviytymistä, kun taas seksuaalinen valinta suosii piirteitä, jotka lisäävät pääsyä tovereille.
Joskus nämä joukot ovat yhtä mieltä, mutta ei aina. Urospuolisen O. tauruksen suuret päänarvot lisäävät heidän pääsyään tovereisiin, mutta samat sarvet aiheuttaisi vaivaa naaraille, joiden on tunnelintava maan alla nostaakseen jälkeläisiä. Tämä luo sukupuolten välillä jännityksen tai seksuaalisen antagonismin, joka rajoittaa lajien yleistä kuntoa. Kuitenkin, jos naispuolinen kaksoisproteiini sammuttaa geenit, jotka miehillä ovat vastuussa sarven kasvusta, koko laji menee paremmin.
Käynnissä olevassa tutkimuksemme käsittelee sitä, kuinka tuplaseksi on kehittynyt tuottamaan valtava monimuotoisuus seksuaalisen dimorfismin suhteen lantakuoriaisissa. Lajien välillä sarvet löytyvät kehon eri alueilta, kasvavat eri tavoin vastauksena erilaatuisiin ruokavalioihin ja niitä voi esiintyä jopa naisilla miehien sijasta.
Esimerkiksi Onthophagus sagittariuksessa naispuolinen kasvattaa huomattavia sarvia, kun taas urokset pysyvät sarvetta. Tämä laji on vain viisi miljoonaa vuotta eroavainen O. tauruksesta, pelkästään ajan pudotuksesta hyönteisten evoluutiokauhaan. Näkökulmasta kovakuoriaiset poikkesivat kärpäsistä noin 225 miljoonaa vuotta sitten. Tämä viittaa siihen, että kaksoissuhde voi kehittyä nopeasti hankkimaan, vaihtamaan tai muuttamaan sarven kehityksen taustalla olevien geenien säätelyä.
Kuinka kaksinkertaisen seksin roolin ymmärtäminen seksuaalisesti dimorfisissa hyönteisten ominaisuuksissa auttaa meitä ymmärtämään muiden eläinten, jopa ihmisten, fenotyyppimuutoksia?
Huolimatta siitä, että DMRT: t on silmukoitu vain yhtenä muotona nisäkkäissä ja toimivat pääasiassa miehillä, suurin osa muista ihmisen geeneistä on vaihtoehtoisesti silmukoitu; aivan kuten hyönteisten tuplaseksi- geeni, useimmissa ihmisen geeneissä on erilaisia alueita, jotka voidaan silmukoida yhteen eri järjestyksissä vaihtelevien tulosten kanssa. Vaihtoehtoisesti silmukoiduilla geeneillä voi olla selkeät tai vastakkaiset vaikutukset sen perusteella, missä sukupuolella tai piirteessä ne ilmenevät. Ymmärrys siitä, kuinka vaihtoehtoisesti silmukoitujen geenien tuottama proteiini käyttäytyy eri kudoksissa, sukupuolissa ja ympäristöissä, paljastaa kuinka yksi genomi voi tuottaa monenlaisia muotoja tilanteesta riippuen.
Loppujen lopuksi nöyrä lantakuoriaisten sarvet voivat antaa meille kurkistaa mekanismeihin, jotka ovat eläinmuotojen, myös ihmisten, valtavan monimutkaisuuden taustalla.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Cris Ledón-Rettig, biologian tutkijatohtori, Indiana University, Bloomington
