דמיין אריה: לזכר יש רעמה מפנקת, הנקבה לא. זו דוגמא קלאסית למה שביולוגים מכנים דימורפיזם מיני - שני המינים מאותו המין מראים הבדלים בצורה או בהתנהגות. אריות זכרים ונקביים די חולקים את אותו מידע גנטי, אך נראים אחרת לגמרי.
אנו רגילים לחשוב על גנים שאחראים לתכונות שאורגניזם מתפתח. אולם צורות שונות של תכונה - רעמה או שום רעמה - יכולות לנבוע ממידע גנטי זהה כמעט. יתר על כן, תכונות אינן דימורפיות מיניות באותה מידה. בעוד שזנבות הטווסים והאכמניות שונות לחלוטין זו מזו, רגליהן, למשל, זהות כמעט לחלוטין.
ההבנה כיצד מתרחשת שונות זו של צורה - מה שגנטיקאים מכנים שונות פנוטיפית - חיונית לתשובה על מספר שאלות מדעיות, כולל כיצד מופיעות תכונות חדשות במהלך האבולוציה וכיצד מחלות מורכבות מופיעות במהלך חייו.
אז החוקרים בדקו מקרוב את הגנום, וחיפשו את הגנים האחראים להבדלים בין המינים ובין תכונות בתוך מין אחד. המפתח לתכונות הדימורפיות המיניות הללו נראה שהוא סוג של חלבון הנקרא גורם שעתוק, שתפקידו להפעיל את הגנים "ומכבים".
בעבודה שלנו עם חיפושיות גללים, עמיתי ואני מנותקים כיצד גורמי התמלול הללו מובילים למעשה לתכונות השונות שאנו רואים אצל גברים ונשים. הרבה מהם קשור למשהו המכונה "שחבור גנים אלטרנטיבי" - תופעה שמאפשרת לגן בודד לקודד חלבונים שונים, תלוי איך חיבור אבני הבניין זה לזה.
הגן הכפול מייצר דימורפיזם מיני מובהק מבחינה ויזואלית בפוליטות הפפיליו של הפרפר, המורמונית הנפוצה. נקבה (למעלה), זכר (תחתון). (ג'בן חוזה, קראלה, הודו, CC BY-SA) במהלך השנים קבוצות שונות של מדענים עבדו באופן עצמאי עם בעלי חיים שונים בכדי לזהות גנים המעצבים זהות מינית; הם הבינו שרבים מהגנים האלה חולקים אזור מסוים. אזור גנים זה נמצא הן בגן התולעת mab-3 והן בגן החרקים כפול, ולכן הם כינו גנים דומים המכילים אזור זה DMRT, כ"גורמי שעתוק הקשורים ל- mab ".
גנים אלה מקודדים לחלבוני DMRT שמפעילים או מכבים את הקריאה, או הביטוי, של גנים אחרים. לשם כך הם מחפשים גנים ב- DNA, נקשרים לאותם גנים ומקלים על הגישה למידע הגנטי ובקלות או קשה יותר. על ידי שליטה על אילו חלקים בגנום באים לידי ביטוי, חלבוני DMRT מובילים למוצרים האופייניים לגבריות או נקבות. הם מתאימים את ביטוי הגנים למין והתכונה הנכונים.
DMRTs כמעט תמיד מעניקים גסות. לדוגמא, ללא DMRT, רקמת האשכים בעכברים זכריים מתדרדרת. כאשר מיוצר DMRT באופן ניסיוני בעכברים נקביים, הם מפתחים רקמת אשך. תפקיד זה לקידום התפתחות אשכים משותף לרוב בעלי החיים, מדגים וציפורים וכלה בתולעים וצדפות.
DMRTs אף מעניקים גבריות בבעלי חיים שבהם אנשים מפתחים גם אשכים וגם שחלות. בדגים המציגים הרמפרודידיזם עוקב - בו גונדות משתנות מנקבה לזכר, או להפך, בתוך אותו אינדיבידואל - השעווה וההידרדרות של ביטוי DMRT גורמת להופעה ורגרסיה של רקמת האשך, בהתאמה. באופן דומה, בצבים ההופכים לזכר או נקבה על בסיס טמפרטורות שחוו בביצה, DMRT מיוצר ברקמת איברי המין של עוברים שנחשפים לטמפרטורות המקדמות זכרים.
המצב מעט שונה בחרקים. ראשית, תפקידו של ה- DMRT (כפול -קס ) ביצירת דימורפיזם מיני התפשט מעבר לגונדות לאזורים אחרים בגוף, כולל חלקי פה, ספי כנף וזיפים מזדווגים בשם "מסרקי מין."
בהתאם לאופן ההרכבה של החלקים, גן אחד יכול לגרום למספר חלבונים שונים. (קריס לדון-רטיג, CC BY-ND) שנית, חרקים זכרים ונקביים מייצרים גרסאות משלהם לחלבון הכפולקס באמצעות מה שנקרא "שחבור גנים אלטרנטיבי". זו דרך לגן בודד לקודד מספר חלבונים. לפני שהגנים הופכים לחלבונים, עליהם להיות מופעלים "במצב"; כלומר תועתק להוראות כיצד לבנות את החלבון.
אך ההוראות מכילות אזורי מידע מועילים וגם זרים, ולכן יש לתפור את החלקים השימושיים כדי ליצור את הוראות החלבון הסופיות. על ידי שילוב האזורים השימושיים בדרכים שונות, גן בודד יכול לייצר חלבונים מרובים. אצל חרקים זכרים ונקביים, זה שחבור הגן האלטרנטיבי הזה שמביא לכך שחלבוני הכפלקס מתנהגים בצורה שונה בכל מין.
אז אצל נקבה הוראות מהגן הכפול יכול לכלול קטעים 1, 2 ו -3, ואילו אצל זכר אותה הוראות עשויה לכלול רק 2 ו -3. לחלבונים השונים שנוצרו כל אחד יש השפעה משלהם על אילו חלקים בקוד הגנטי. מופעלים או מכבים - מובילים לזכר עם חלקי פה ענקיים ונקבה בלי, למשל.
כיצד צורות של זכר ונקבה של כפילות מווסתות את הגנים לייצור תכונות של זכר ונקבה? קבוצת המחקר שלנו ענתה על שאלה זו באמצעות חיפושי גללים, שהם רבים באופן יוצא דופן במינים (מעל 2, 000), נפוצה (מאכלסת כל יבשת למעט אנטארקטיקה), מגוונת (צורכת בערך כל סוג של גללים) ומציגה גיוון מדהים בתכונה דימורית מינית: קרניים .
בזכות הגן הכפול, ב חיפושית הסטילית Cyclommatus metallifer, המזליקים של הזכרים (מימין) גדולים בהרבה מאלו של הנקבות (משמאל). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) התמקדנו בחיפושיות גללים שיט ראשים שור, ראש המינים בו הזכרים מייצרים קרניים ראש גדולות ודומות לשור אך הנקבות נותרות נטולות קרניים. מצאנו כי חלבונים כפולים יכולים לווסת את הגנים בשתי דרכים.
ברוב התכונות, זה מווסת גנים שונים בכל מין. כאן, doublesex אינו פועל כ"מעבר "בין שתי תוצאות מיניות אפשריות, אלא מקנה גבריות ונשיות לכל מין באופן עצמאי. במילים אחרות, תכונות אלה אינן עומדות בפני החלטה בינארית בין הפיכתן לזכר או לנקבה, הן פשוט א-מיניות ומוכנות להמשך הדרכה.
הסיפור שונה לקרן הראש של חיפושיות. במקרה זה, הכפילה פועל יותר כמו מתג, המסדיר את אותם גנים בשני המינים אך בכיוונים הפוכים. החלבון הנשי דיכא את הגנים אצל הנקבות שאחרת יקודם על ידי החלבון הזכרי אצל גברים. מדוע יהיה תמריץ אבולוציוני לעשות זאת?
הנתונים שלנו רמזו כי חלבון הכפילקס הנשי עושה זאת כדי להימנע ממה שמכונה "אנטגוניזם מיני". בטבע הכושר מפוסל על ידי בחירה טבעית ומינית כאחד. הברירה הטבעית מעדיפה תכונות המגבירות את ההישרדות, ואילו הברירה המינית מעדיפה את התכונות המגדילות את הגישה לבני זוג.
לפעמים כוחות אלה מסכימים, אך לא תמיד. קרני הראש הגדולות של מזל שור O. הזכר מגדילים את הגישה שלהם לבני זוג, אך אותן קרניים יהוו טרחה עבור נקבות שצריכות להיכנס למחתרת כדי לגדל את צאצאיהן. זה יוצר מתח בין המינים, או אנטגוניזם מיני, המגביל את הכושר הכללי של המין. עם זאת, אם חלבון הכפילקס הנשי מכבה את הגנים ה"כבויים " שבזכרים אחראים לגידול קרניים, המין כולו מצליח.
המחקר השוטף שלנו מתייחס לאופן בו התפתח doublesex ויוצר את המגוון העצום בדימורפיזם המיני בחיפושיות גללים. בקרב מינים, קרניים נמצאות באזורי גוף שונים, גדלות באופן שונה בתגובה לתזונה איכותית שונה, ואף יכולות להופיע אצל נקבות ולא אצל גברים.
אצל קשת Onthophagus, למשל, הנקבה היא שמגדלת קרניים משמעותיות בעוד הזכרים נותרים נטולי קרניים. מין זה נמצא רק בחמישה מיליון שנים שמקורו במזל שור O., טיפת זמן בלבד בדלי האבולוציוני לחרקים. מבחינה פרספקטיבית, חיפושיות חצו מזבובים לפני כ 225 מיליון שנה. זה מצביע על כך ש- doublesex יכול להתפתח במהירות כדי לרכוש, לעבור או לשנות את הוויסות של הגנים העומדים בבסיס התפתחות קרניים.
כיצד הבנת תפקידו של הכפילקס בתכונות חרקים מיניות דימורפיות תעזור לנו להבין שונות פנוטיפית אצל בעלי חיים אחרים, אפילו בני אדם?
למרות העובדה ש- DMRT- משוחקים כצורה אחת בלבד ביונקים ופועלים בעיקר בזכרים, רוב הגנים האנושיים האחרים הם משוחקים לחילופין; ממש כמו הגן הכפול-חרקס של חרקים, לרוב הגנים האנושיים יש אזורים שונים הניתנים לשחבור זה בזה בסדר אחר עם תוצאות משתנות. לחילופין, גנים משובצים יכולים להיות בעלי השפעות ברורות או מנוגדות על סמך איזה מין או תכונה הם באים לידי ביטוי. הבנת האופן שבו חלבונים המיוצרים על ידי גנים משובצים לחילופין מתנהגים ברקמות שונות, מינים וסביבותיה יגלה כיצד גנום אחד יכול לייצר ריבוי של צורות תלוי בהקשר.
בסופו של דבר, קרניו של חיפושית האפל הצנועות יכולות לתת לנו הצצה למנגנונים העומדים בבסיס המורכבות העצומה של צורות בעלי חיים, כולל בני אדם.
מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.
קריס לדון-רטיג, עמית פוסט-דוקטורט לביולוגיה, אוניברסיטת אינדיאנה, בלומינגטון
