Obrázek lva: Muž má bujnou hřívu, žena ne. Toto je klasický příklad toho, co biologové nazývají pohlavním dimorfismem - dvě pohlaví stejného druhu vykazují rozdíly ve formě nebo chování. Samci a samice lvi mají do značné míry stejné genetické informace, ale vypadají docela jinak.
Jsme zvyklí myslet na geny jako na zodpovědné za vlastnosti, které se organismus vyvíjí. Z prakticky identických genetických informací však mohou vycházet různé formy zvláštnosti - hříva nebo žádná hříva. Dále rysy nejsou všechny stejně sexuálně dimorfní. Zatímco ocasy pávů a pávů jsou velmi odlišné, například jejich nohy jsou téměř stejné.
Pochopení toho, jak tato variace formy - to, co genetici nazývají fenotypovou variaci - vzniká, je zásadní pro zodpovězení několika vědeckých otázek, včetně toho, jak se objevují nové rysy během evoluce a jak se během života objevují složitá onemocnění.
Vědci se tedy podrobněji podívali na genom a hledali geny odpovědné za rozdíly mezi pohlavími a mezi vlastnostmi jednoho pohlaví. Klíčem k těmto sexuálně dimorfním vlastnostem se zdá být druh bílkoviny nazývaný transkripční faktor, jehož úkolem je zapnout a vypnout geny.
V naší vlastní práci s chrobáky chmurnými jsme se svými kolegy nerozhodli, jak tyto transkripční faktory skutečně vedou k různým vlastnostem, které vidíme u mužů a žen. Hodně z toho souvisí s něčím, co se nazývá „alternativní sestřih genů“ - jev, který umožňuje, aby jediný gen kódoval různé proteiny, v závislosti na tom, jak jsou stavební bloky spojeny.
Gen doublesex produkuje vizuálně zřejmý sexuální dimorfismus v motýlích papilio polytech, běžném mormonovi. Žena (horní), mužská (spodní). (Jeevan Jose, Kerala, Indie, CC BY-SA) V průběhu let různé skupiny vědců nezávisle pracovaly s různými zvířaty na identifikaci genů, které formují sexuální identitu; uvědomili si, že mnoho z těchto genů sdílí specifickou oblast. Tato genová oblast byla nalezena jak v genu červů mab-3, tak v genu doublesexu hmyzu, takže pojmenovali podobné geny obsahující geny DMRT této oblasti pro „transkripční faktory související s doublesex mab“.
Tyto geny kódují DMRT proteiny, které zapínají nebo vypínají čtení nebo expresi jiných genů. K tomu hledají geny v DNA, vážou se na tyto geny a usnadňují nebo ztížují přístup ke genetickým informacím. Řízením toho, které části genomu jsou exprimovány, DMRT proteiny vedou k produktům charakteristickým pro mužnost nebo femalitu. Přizpůsobují expresi genů správnému pohlaví a zvláštnostem.
DMRT téměř vždy propůjčují mužnost. Například bez DMRT se testikulární tkáň samců myší zhoršuje. Když je DMRT experimentálně produkován u samic myší, vyvíjí se testikulární tkáň. Tato práce na podpoře vývoje varlat je společná pro většinu zvířat, od ryb a ptáků po červy a škeble.
DMRT dokonce propůjčují mužnosti zvířata, kde se jednotlivci vyvinou varlata i vaječníky. U ryb, které vykazují sekvenční hermafroditismus - kde se gonády mění ze ženy na muže nebo naopak u stejného jedince -, voskování a ubývání DMRT exprese vede ke vzniku a regresi testikulární tkáně. Podobně v želvích, které se stanou samci nebo samice na základě teplot zažívaných ve vejci, se DMRT produkuje v genitální tkáni embryí vystavených teplotám podporujícím samce.
U hmyzu je situace trochu jiná. Zaprvé, role DMRT ( doublesex ) při vytváření sexuálního dimorfismu se rozšířila za gonády do dalších částí těla, včetně ústních partií, skvrn na křídlech a páření štětin vhodně pojmenovaných „sexuální hřebeny“.
Podle toho, jak jsou kousky spojeny, může jeden gen vést k řadě různých proteinů. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Za druhé, samčí a samičí hmyz vytváří své vlastní verze doublesexového proteinu prostřednictvím tzv. Alternativního sestřihu genů. Toto je způsob, jak jediný gen kóduje více proteinů. Před přeměnou genů na proteiny musí být zapnuty; to znamená, že je přepsán do pokynů, jak vytvořit protein.
Pokyny však obsahují užitečné i cizí oblasti informací, takže užitečné části musí být sešity dohromady, aby se vytvořily pokyny pro konečný protein. Kombinováním užitečných oblastí různými způsoby může jediný gen produkovat více proteinů. U hmyzu mužského a ženského pohlaví je toto alternativní genové sestřihování výsledkem toho, že se doublesexové proteiny chovají v každém pohlaví odlišně.
Takže u ženy by instrukce z genu doublesex mohly zahrnovat sekce 1, 2 a 3, zatímco u muže by stejná instrukce mohla zahrnovat pouze 2 a 3. Různé výsledné proteiny by měly každý svůj vlastní účinek na to, jaké části genetického kódu jsou zapnuté nebo vypnuté - což vede například k muži s obrovskými ústy a ženě bez.
Jak mužské a ženské formy doublesexu regulují geny, aby vytvářely mužské a ženské vlastnosti? Naše výzkumná skupina odpověděla na tuto otázku pomocí tresek, které jsou mimořádně četné u druhů (nad 2 000), rozšířené (obývají každý kontinent s výjimkou Antarktidy), všestranné (náročné na každý typ trusu) a vykazují úžasnou rozmanitost v sexuálně dimorfní vlastnosti: rohy .
Díky genu doublesex, v jeleni Cyclommatus metallifer, jsou samci (vpravo) mnohem větší než samice (vlevo). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Zaměřili jsme se na býčího chrobáka Onthophagus taurus, což je druh, ve kterém samci produkují velké býčí rohy, ale samice zůstávají bez rohů. Zjistili jsme, že doublesexové proteiny mohou regulovat geny dvěma způsoby.
Ve většině rysů reguluje různé geny v každém pohlaví. Zde doublesex nepůsobí jako „přepínač“ mezi dvěma možnými pohlavními výstupy, nýbrž místo toho dává každému pohlaví mužství a ženskost nezávisle. Jinými slovy, tyto rysy nejsou vystaveny binárnímu rozhodnutí mezi tím, jak se stát mužem nebo ženou, jsou jednoduše asexuální a připraveni na další poučení.
Příběh je jiný pro roh rohy hnoje. V tomto případě se doublesex chová spíše jako přepínač, který reguluje stejné geny u obou pohlaví, ale v opačných směrech. Samičí protein potlačoval geny u žen, které by jinak byly mužským proteinem podporovány u mužů. Proč by k tomu měla evoluční motivace?
Naše údaje naznačují, že to samičí doublesexový protein dělá, aby se vyhnul tomu, co je známé jako „sexuální antagonismus“. V přírodě je fitness vyřezávána přirozeným i sexuálním výběrem. Přirozený výběr upřednostňuje vlastnosti zvyšující přežití, zatímco sexuální výběr upřednostňuje vlastnosti zvyšující přístup k kamarádům.
Někdy tyto síly souhlasí, ale ne vždy. Velké rohy hlavy samce O. taurus zvyšují jejich přístup ke kamarádům, ale stejné rohy by byly problémem pro ženy, které musejí tunelovat pod zemí, aby zvýšily své potomstvo. Toto vytváří napětí mezi pohlavími nebo sexuální antagonismus, který omezuje celkovou kondici druhu. Pokud však samičí doublesexový protein vypne geny, které jsou samci zodpovědné za růst rohů, celý druh je lepší.
Náš probíhající výzkum se zabývá tím, jak se vyvinul doublesex, který generuje obrovskou rozmanitost v sexuálním dimorfismu u chrobáků. Mezi druhy se rohy vyskytují v různých oblastech těla, rostou různě v reakci na různou kvalitu stravy a mohou se vyskytovat spíše u žen než u mužů.
Například u Onthophagus sagittarius je to samice, která pěstuje značné rohy, zatímco muži zůstávají bez rohů. Tento druh se od O. taurus liší jen pět milionů let, což je pouhá kapka času v evoluční nádobě na hmyz. Pro ilustraci se brouci před asi 225 miliony let lišili od mouch. To naznačuje, že doublesex se může rychle vyvíjet, aby získal, změnil nebo upravil regulaci genů, které jsou základem vývoje rohů.
Jak nám porozumění role doublesexu v sexuálně dimorfních hmyzích vlastnostech pomůže pochopit fenotypovou variabilitu u jiných zvířat, dokonce iu lidí?
Navzdory skutečnosti, že DMRT jsou spřádány jako jediná forma u savců a působí primárně u samců, většina ostatních lidských genů je alternativně spletena; stejně jako gen doublesexu hmyzu má většina lidských genů různé oblasti, které lze spojit dohromady v různých řádech s různými výsledky. Alternativně mohou mít sestřižené geny odlišné nebo protichůdné účinky na základě toho, ve kterém pohlaví nebo zvláštnosti jsou exprimovány. Pochopení toho, jak se proteiny, které jsou produkovány alternativně sestřiženými geny, chovají v různých tkáních, pohlavích a prostředích, odhalí, jak jeden genom může produkovat množství forem v závislosti na kontextu.
Rohy skromných trusů nám nakonec mohou nahlédnout do mechanismů, které jsou základem obrovské složitosti živočišných forem, včetně lidí.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, postgraduální člen biologie, Indiana University, Bloomington
