Stel je een leeuw voor: het mannetje heeft weelderige manen, het vrouwtje niet. Dit is een klassiek voorbeeld van wat biologen seksueel dimorfisme noemen - de twee geslachten van dezelfde soort vertonen verschillen in vorm of gedrag. Mannelijke en vrouwelijke leeuwen delen vrijwel dezelfde genetische informatie, maar zien er heel anders uit.
We zijn gewend om te denken dat genen verantwoordelijk zijn voor de eigenschappen die een organisme ontwikkelt. Maar verschillende vormen van een eigenschap - manen of geen manen - kunnen voortkomen uit praktisch identieke genetische informatie. Verder zijn eigenschappen niet allemaal even seksueel dimorf. Terwijl de staarten van pauwen en pauwen extreem verschillend zijn, zijn hun voeten bijvoorbeeld vrijwel hetzelfde.
Begrijpen hoe deze vormvariatie - wat genetici fenotypische variatie noemen - ontstaat is cruciaal voor het beantwoorden van verschillende wetenschappelijke vragen, waaronder hoe nieuwe eigenschappen verschijnen tijdens de evolutie en hoe complexe ziekten ontstaan tijdens een leven.
Dus hebben onderzoekers het genoom nader bekeken, op zoek naar de genen die verantwoordelijk zijn voor verschillen tussen geslachten en tussen eigenschappen binnen één geslacht. De sleutel tot deze seksueel dimorfe eigenschappen lijkt een soort eiwit dat een transcriptiefactor wordt genoemd en wiens taak het is om genen 'aan' en 'uit' te zetten.
In ons eigen werk met mestkevers, ontwarren mijn collega's en ik hoe deze transcriptiefactoren daadwerkelijk leiden tot de verschillende eigenschappen die we bij mannen en vrouwen zien. Veel ervan heeft te maken met zogeheten 'alternative gen splicing' - een fenomeen waarmee een enkel gen kan coderen voor verschillende eiwitten, afhankelijk van hoe de bouwstenen met elkaar zijn verbonden.
Het gen doublesex produceert visueel duidelijk seksueel dimorfisme in de vlinder Papilio polytes, de gewone mormoon. Vrouw (boven), man (onder). (Jeevan Jose, Kerala, India, CC BY-SA) In de loop der jaren werkten verschillende groepen wetenschappers onafhankelijk van elkaar met verschillende dieren om genen te identificeren die vorm geven aan seksuele identiteit; ze realiseerden zich dat veel van deze genen een specifieke regio delen. Dit gengebied werd gevonden in zowel het wormgen mab-3 als het insectengen doublesex, dus noemden ze vergelijkbare genen die deze regio DMRT-genen bevatten, voor "doublesex mab-gerelateerde transcriptiefactoren."
Deze genen coderen voor DMRT-eiwitten die de lezing of expressie van andere genen in- of uitschakelen. Om dit te doen, zoeken ze genen in DNA, binden zich aan die genen en maken het gemakkelijker of moeilijker om toegang te krijgen tot de genetische informatie. Door te regelen welke delen van het genoom tot expressie worden gebracht, leiden DMRT-eiwitten tot producten die kenmerkend zijn voor mannelijkheid of vrouwelijkheid. Ze matchen de expressie van genen met het juiste geslacht en de juiste eigenschap.
DMRT's verlenen bijna altijd mannelijkheid. Zonder DMRT verslechtert bijvoorbeeld testiculair weefsel bij mannelijke muizen. Wanneer DMRT experimenteel wordt geproduceerd in vrouwelijke muizen, ontwikkelen ze testiculair weefsel. Deze taak van het bevorderen van de ontwikkeling van testis komt bij de meeste dieren voor, van vissen en vogels tot wormen en kokkels.
DMRT's verlenen zelfs mannelijkheid bij dieren waarbij individuen zowel testes als eierstokken ontwikkelen. Bij vissen die sequentieel hermafroditisme vertonen - waarbij geslachtsklieren veranderen van vrouwelijk naar mannelijk, of vice versa, binnen hetzelfde individu - resulteert het in de was zetten en afnemen van DMRT-expressie in respectievelijk het verschijnen en regressie van het testiculaire weefsel. Evenzo wordt bij schildpadden die mannelijk of vrouwelijk worden op basis van de in het ei ervaren temperaturen, DMRT geproduceerd in het genitale weefsel van embryo's die worden blootgesteld aan mannelijk bevorderende temperaturen.
De situatie is een beetje anders bij insecten. Ten eerste heeft de rol van DMRT ( doublesex ) bij het genereren van seksueel dimorfisme zich verder dan gonaden uitgebreid naar andere delen van het lichaam, waaronder monddelen, vleugelspots en parende borstelharen die toepasselijk "sekskammen" worden genoemd.
Afhankelijk van hoe de stukjes in elkaar worden gezet, kan één gen resulteren in een aantal verschillende eiwitten. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Ten tweede genereren mannelijke en vrouwelijke insecten hun eigen versies van het doublesex- eiwit door middel van wat 'alternatieve genssplitsing ' wordt genoemd. Dit is een manier waarop een enkel gen codeert voor meerdere eiwitten. Voordat genen worden omgezet in eiwitten, moeten ze "aan" worden gezet; dat wil zeggen getranscribeerd in instructies voor het bouwen van het eiwit.
Maar de instructies bevatten zowel nuttige als vreemde gebieden met informatie, dus de nuttige delen moeten aan elkaar worden genaaid om de uiteindelijke eiwitinstructies te maken. Door de nuttige regio's op verschillende manieren te combineren, kan een enkel gen meerdere eiwitten produceren. Bij mannelijke en vrouwelijke insecten is het deze alternatieve genssplitsing die ertoe leidt dat de dubbelzijdige eiwitten zich in elk geslacht anders gedragen.
Dus in een vrouw kunnen instructies van het doublesex- gen secties 1, 2 en 3 omvatten, terwijl in een man dezelfde instructie slechts 2 en 3 kan bevatten. De verschillende resulterende eiwitten zouden elk hun eigen effect hebben op welke delen van de genetische code worden in- of uitgeschakeld - wat leidt tot een man met grote monddelen en een vrouw zonder bijvoorbeeld.
Hoe reguleren mannelijke en vrouwelijke vormen van doublesex genen om mannelijke en vrouwelijke eigenschappen te produceren? Onze onderzoeksgroep beantwoordde deze vraag met behulp van mestkevers, die uitzonderlijk talrijk zijn in soorten (meer dan 2.000), wijdverspreid (bewonend op elk continent behalve Antarctica), veelzijdig (consumerend over elk type mest) en een verbazingwekkende diversiteit vertonen in een seksueel dimorfe eigenschap: hoorns .
Dankzij het doublesex-gen zijn de onderkaken van mannetjes (rechts) in de mannetjeskever Cyclommatus metallifer veel groter dan die van vrouwtjes (links). (Http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) We hebben ons gericht op de stierkoppige mestkever Onthophagus taurus, een soort waarin mannetjes grote, stierachtige hoorns produceren, maar vrouwtjes blijven hoornloos. We hebben ontdekt dat doublesex- eiwitten genen op twee manieren kunnen reguleren.
In de meeste eigenschappen reguleert het verschillende genen in elk geslacht. Hier fungeert doublesex niet als een "schakelaar" tussen twee mogelijke seksuele uitkomsten, maar in plaats daarvan mannelijkheid en vrouwelijkheid aan elk geslacht onafhankelijk verlenen. Anders gezegd, deze eigenschappen hebben geen binaire beslissing om mannelijk of vrouwelijk te worden, ze zijn gewoon aseksueel en klaar voor verdere instructie.
Het verhaal is anders voor de hoorns van de mestkevers. In dit geval fungeert doublesex meer als een schakelaar, die dezelfde genen regelt in beide geslachten, maar in tegenovergestelde richtingen. Het vrouwelijke eiwit onderdrukte genen bij vrouwen die anders zouden worden bevorderd door het mannelijke eiwit bij mannen. Waarom zou er een evolutionaire stimulans zijn om dit te doen?
Onze gegevens laten doorschemeren dat het vrouwelijke doublesex- eiwit dit doet om te voorkomen wat bekend staat als 'seksueel antagonisme'. In de natuur wordt fitness gevormd door zowel natuurlijke als seksuele selectie. Natuurlijke selectie bevordert eigenschappen die de overleving bevorderen, terwijl seksuele selectie eigenschappen bevordert die de toegang tot vrienden vergroten.
Soms zijn deze krachten het eens, maar niet altijd. De grote hoorns van mannelijke O. taurus vergroten hun toegang tot vrienden, maar dezelfde hoorns zouden een gedoe zijn voor vrouwen die ondergronds moeten tunnelen om hun nakomelingen op te voeden. Dit creëert een spanning tussen de geslachten, of seksueel antagonisme, dat de algehele fitness van de soort beperkt. Als het vrouwelijke doublesex- eiwit echter genen uitschakelt die bij mannen verantwoordelijk zijn voor de groei van hoorn, doet de hele soort het beter.
Ons voortdurend onderzoek richt zich op hoe doublesex is geëvolueerd om de enorme diversiteit in seksueel dimorfisme bij mestkevers te genereren. Bij soorten worden hoorns in verschillende lichaamsgebieden aangetroffen, groeien ze anders als reactie op diëten van verschillende kwaliteit en kunnen ze zelfs bij vrouwen voorkomen in plaats van bij mannen.
In Onthophagus sagittarius is het bijvoorbeeld het vrouwtje dat aanzienlijke hoorns laat groeien, terwijl mannen hoornloos blijven. Deze soort is slechts vijf miljoen jaar afgeweken van O. taurus, een druppel tijd in de evolutionaire emmer voor insecten. Voor het perspectief liepen kevers ongeveer 225 miljoen jaar geleden af van vliegen. Dit suggereert dat doublesex snel kan evolueren om de regulatie van genen die ten grondslag liggen aan hoornontwikkeling te verwerven, om te schakelen of te wijzigen.
Hoe zal het begrijpen van de rol van doublesex in seksueel dimorfe insecteigenschappen ons helpen fenotypische variatie bij andere dieren, zelfs mensen, te begrijpen?
Ondanks het feit dat DMRT's worden gesplitst als slechts één vorm bij zoogdieren en voornamelijk werken bij mannen, worden de meeste andere menselijke genen ook gesplitst; net als het doublesex- gen van insecten, hebben de meeste menselijke genen verschillende regio's die in verschillende volgorde met verschillende resultaten kunnen worden gesplitst. Alternatieve gesplitste genen kunnen verschillende of tegengestelde effecten hebben op basis van het geslacht of de eigenschap waarin ze tot expressie worden gebracht. Begrijpen hoe eiwitten die worden geproduceerd door alternatief gesplitste genen zich in verschillende weefsels, geslachten en omgevingen gedragen, zal onthullen hoe een genoom een veelvoud aan vormen kan produceren afhankelijk van context.
Uiteindelijk kunnen de hoorns van de bescheiden mestkever ons een kijkje geven in de mechanismen die ten grondslag liggen aan de enorme complexiteit van dierlijke vormen, inclusief mensen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, postdoctorale fellow van biologie, Indiana University, Bloomington
