Gambar seekor singa: Laki-laki mempunyai mane yang subur, wanita itu tidak. Ini adalah contoh klasik dari ahli-ahli biologi yang memanggil dimorphism seksual-kedua-dua jantina spesies yang sama mempamerkan perbezaan dalam bentuk atau tingkah laku. Singa lelaki dan wanita cukup banyak berkongsi maklumat genetik yang sama, tetapi kelihatan agak berbeza.
Kami biasa memikirkan gen yang bertanggungjawab terhadap sifat-sifat sesuatu organisma. Tetapi bentuk-bentuk yang berbeza dari sifat-sifat atau tidak mane-boleh timbul daripada maklumat genetik yang serupa. Selanjutnya, sifat tidak sama sekali secara seksual dimorphik. Walaupun ekor burung merak dan peahen sangat berbeza, kaki mereka, misalnya, adalah sama banyak.
Memahami bagaimana variasi bentuk-apa yang disebut oleh ahli genetik mengenai variasi phenotypic adalah penting untuk menjawab beberapa soalan saintifik, termasuk bagaimana ciri-ciri novel muncul semasa evolusi dan bagaimana penyakit-penyakit kompleks muncul dalam seumur hidup.
Oleh itu penyelidik telah melihat dengan lebih dekat genom, mencari gen yang bertanggungjawab untuk perbezaan antara jantina dan antara sifat dalam satu jantina. Kunci kepada ciri-ciri ini secara seksual dimorphic adalah sejenis protein yang dipanggil faktor transkripsi, yang tugasnya adalah untuk menghidupkan gen "on" dan "off".
Dalam kerja kita sendiri dengan kumbang kotoran, rakan sekerja saya dan saya tidak memahami bagaimana faktor transkripsi sebenarnya membawa kepada ciri-ciri yang berbeza yang kita lihat pada lelaki dan wanita. Banyak yang berkaitan dengan sesuatu yang dipanggil "penggantian gen alternatif" -a fenomena yang membolehkan gen tunggal mengodkan untuk protein yang berlainan, bergantung kepada bagaimana blok bangunan disatukan.
Doublesex gen menghasilkan dimorphism seksual yang jelas jelas di rama-rama Papilio rama-rama, Mormon biasa. Perempuan (atas), lelaki (bawah). (Jeevan Jose, Kerala, India, CC BY-SA) Selama bertahun-tahun, kumpulan saintis yang berbeza bekerja secara bebas dengan pelbagai haiwan untuk mengenal pasti gen yang membentuk identiti seksual; mereka menyedari bahawa banyak gen ini berkongsi rantau tertentu. Rantau gen ini dijumpai di kedua-dua cacing mab-3 dan gen serangga yang berlainan, jadi mereka menamakan gen yang serupa yang mengandungi gen DMRT wilayah ini, untuk "faktor transkripsi yang berkaitan dengan doublesex mab."
Kod gen ini untuk protein DMRT yang menghidupkan atau mematikan bacaan, atau ungkapan, gen lain. Untuk melakukan ini, mereka mencari gen dalam DNA, mengikat gen tersebut, dan menjadikannya lebih mudah atau sukar untuk mengakses maklumat genetik. Dengan mengawal bahagian-bahagian genom yang dinyatakan, protein DMRT membawa kepada ciri-ciri produk kelumpuhan atau kesuburan. Mereka sepadan dengan ekspresi gen ke jantina dan sifat yang betul.
DMRTs hampir selalu memberikan kejelasan. Sebagai contoh, tanpa DMRT, tisu testicular pada tikus lelaki merosot. Apabila DMRT dihasilkan secara eksperimen pada tikus betina, mereka mengembangkan tisu testicular. Pekerjaan ini mempromosikan perkembangan testis adalah umum kepada kebanyakan haiwan, dari ikan dan burung hingga cacing dan kerang.
DMRTs juga memberikan maleness pada haiwan di mana individu membangunkan kedua-dua testis dan ovari. Dalam ikan yang memperlihatkan hermafroditisme berturut-turut - di mana gonad berubah dari perempuan ke laki-laki, atau sebaliknya, dalam individu yang sama - waxing dan mereda hasil ekspresi DMRT dalam penampilan dan regresi tisu testis. Begitu juga, dalam kura-kura yang menjadi lelaki atau perempuan berdasarkan suhu yang dialami dalam telur, DMRT dihasilkan dalam tisu genital embrio yang terdedah kepada suhu mempromosikan lelaki.
Keadaan ini sedikit berbeza dengan serangga. Pertama, peranan DMRT ( doublesex ) dalam menghasilkan dimorphism seksual telah melampaui gonad ke bahagian lain badan, termasuk mulut, sayap dan buluh perkahwinan dengan tepat menamakan "komplikasi seks."
Bergantung kepada bagaimana kepingan itu disatukan, satu gen boleh menghasilkan sejumlah protein yang berlainan. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Kedua, serangga lelaki dan wanita menjana versi mereka sendiri protein doublesex melalui apa yang disebut "splicing gen alternatif." Ini adalah cara untuk gen tunggal untuk kod untuk pelbagai protein. Sebelum gen berubah menjadi protein, mereka mestilah berpaling "pada"; iaitu, ditranskripsikan kepada arahan untuk membina protein.
Tetapi arahan mengandungi kedua-dua kawasan maklumat yang berguna dan luaran, jadi bahagian yang berguna mesti dijahit bersama untuk membuat arahan protein terakhir. Dengan menggabungkan kawasan yang berguna dengan cara yang berbeza, satu gen boleh menghasilkan pelbagai protein. Dalam serangga lelaki dan wanita, splicing gen alternatif ini menyebabkan protein doublesex berkelakuan berbeza dalam setiap jenis kelamin.
Jadi, pada wanita, arahan dari gen doublesex mungkin termasuk bahagian 1, 2 dan 3, manakala pada lelaki arahan yang sama mungkin hanya termasuk 2 dan 3. Protein yang dihasilkan berbeza masing-masing mempunyai kesan sendiri pada bahagian-bahagian kod genetik dihidupkan atau dihidupkan kepada lelaki dengan mulut besar dan wanita tanpa, contohnya.
Bagaimanakah bentuk doublesex lelaki dan perempuan mengawal gen untuk menghasilkan sifat lelaki dan perempuan? Kumpulan penyelidikan kami menjawab soalan ini menggunakan kumbang kumbang, yang sangat banyak dalam spesies (lebih daripada 2, 000), yang meluas (mendiami setiap benua kecuali Antartika), serba boleh (memakan setiap jenis kotoran) dan menunjukkan kepelbagaian yang luar biasa dalam sifat seksual dimorphic: tanduk .
Terima kasih kepada gen doublesex, di stikl beetle Cyclommatus metallifer, mandibles lelaki (kanan) jauh lebih besar daripada wanita (kiri). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Kami menumpukan perhatian kepada kumbang kotoran lembu yang diketuai oleh Onthophagus taurus, spesies di mana lelaki menghasilkan tanduk besar seperti banteng tetapi wanita tetap tanpa tanduk. Kami mendapati bahawa protein doublesex boleh mengawal gen dalam dua cara.
Dalam kebanyakan ciri, ia mengawal gen yang berlainan dalam setiap jenis kelamin. Di sini, doublesex tidak bertindak sebagai "suis" di antara dua hasil seksual yang mungkin, tetapi sebaliknya memberikan kejantanan dan kesuburan kepada setiap seks secara bebas. Meletakkan cara lain, sifat ini tidak menghadapi keputusan binari antara menjadi lelaki atau perempuan, mereka hanya aseksual dan bersedia untuk arahan selanjutnya.
Kisah ini berbeza dengan tanduk kepala kumbang kumbang. Dalam kes ini, doublesex bertindak lebih seperti suis, mengawal gen yang sama dalam kedua-dua jantina tetapi dalam arah yang bertentangan. Protein wanita menindas gen pada wanita yang sebaliknya akan dipromosikan oleh protein lelaki pada lelaki. Kenapa ada insentif evolusi untuk melakukan ini?
Data kami membayangkan bahawa protein doublesex wanita melakukan ini untuk mengelakkan apa yang dikenali sebagai "pertentangan seksual." Secara semula jadi, kecergasan diukir oleh pemilihan semula jadi dan seksual. Pemilihan semulajadi nikmat sifat yang meningkatkan kelangsungan hidup, sedangkan pemilihan seks nikmat sifat yang meningkatkan akses kepada pasangan.
Kadang-kadang pasukan ini dalam persetujuan, tetapi tidak selalu. Tanduk besar kepala lelaki O. taurus meningkatkan akses mereka kepada pasangan, tetapi tanduk yang sama akan menjadi masalah bagi wanita yang perlu terowong bawah tanah untuk menaikkan anak mereka. Ini menimbulkan ketegangan antara jantina, atau pertentangan seksual, yang menghadkan kebolehan keseluruhan spesies. Walau bagaimanapun, jika protein doublesex perempuan bertukar "mati" gen bahawa pada lelaki bertanggungjawab untuk pertumbuhan tanduk, seluruh spesies lebih baik.
Penyelidikan kami sedang membincangkan bagaimana doublesex telah berkembang untuk menghasilkan kepelbagaian yang besar dalam dimorphism seksual dalam kumbang kotoran. Di sekeliling spesies, tanduk didapati di kawasan badan yang berlainan, tumbuh dengan berbeza sebagai tindak balas terhadap diet yang berbeza, dan bahkan boleh berlaku pada wanita dan bukannya lelaki.
Sebagai Onthophagus sagittarius, misalnya, ia adalah wanita yang tumbuh tanduk besar manakala lelaki tetap tanpa tanduk. Spesies ini hanya lima juta tahun yang divergarkan dari O. taurus, satu-satunya masa dalam baldi evolusi untuk serangga. Untuk perspektif, kumbang menyimpang dari lalat sekitar 225 juta tahun yang lalu. Ini menunjukkan bahawa doublesex boleh berkembang dengan cepat untuk memperoleh, menukar, atau mengubah peraturan gen yang mendasari pembangunan tanduk.
Bagaimanakah pemahaman peranan doublesex dalam ciri serangga seksual dimorphic membantu kita memahami variasi fenotipik dalam haiwan lain, malah manusia?
Walaupun DMRT disambungkan hanya sebagai satu bentuk dalam mamalia dan bertindak terutamanya pada lelaki, majoriti gen manusia yang lain disambungkan secara alternatif; sama seperti gen doublesex serangga, kebanyakan gen manusia mempunyai pelbagai wilayah yang boleh disambung bersama dalam perintah yang berbeza dengan keputusan yang berbeza-beza. Selain itu, gen spliced boleh mempunyai kesan yang berbeza atau bertentangan berdasarkan jenis kelamin atau sifat yang mereka nyatakan. Memahami bagaimana protein yang dihasilkan oleh gen spliced lain yang berkelakuan dalam tisu, jantina dan persekitaran yang berbeza akan menunjukkan bagaimana satu genom dapat menghasilkan pelbagai bentuk bergantung kepada konteks.
Akhirnya, tanduk kumbang kotoran yang rendah hati dapat memberi kita gambaran kepada mekanisme yang mendasari kerumitan besar bentuk haiwan, termasuk manusia.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, Fellow Biologi Postdoctoral, Indiana University, Bloomington
