Дублирующиеся копии гена, общие для самцов и самок плодовых мушек, эволюционировали для решения конкурирующих потребностей между полами. Новый генетический анализ, проведенный исследователями из Чикагского университета, описывает, как эти копии развили отдельные мужские и женские функции, которые имеют решающее значение для репродукции и фертильности. Эти изменения произошли всего за 200 000 лет с тех пор, как гены продублировались, а это означает, что этот процесс может устранить селективное давление между полами и относительно быстро специализироваться.
«Несмотря на то, что самцы и самки имеют почти все общие геномы, каждому из них приходится сталкиваться с очень разными факторами селективного давления», - сказал Николас ВанКурен, аспирант Калифорнийского университета в Чикаго и соавтор исследования, опубликованного на этой неделе. в экологии природы и эволюции. «Действительно неожиданным результатом этого исследования является то, что, несмотря на то, что эти гены были такими молодыми, они быстро развивались не только для смягчения сексуального конфликта, но и для развития основных, специфичных для пола функций».
Самцы и самки многих видов животных могут иметь совершенно разные физические черты. Самцы птиц, например, часто имеют яркое кричащее оперение, чтобы привлечь внимание самок, в то время как самки могут иметь тусклый вид, чтобы обеспечить маскировку во время гнездования. Эти черты напрямую влияют на количество потомства, которое производят самцы и самки, но как они развивают такие совершенно разные внешности, когда имеют один и тот же геном? Говорят, что гены, контролирующие эти конкурирующие признаки, например размер и цвет перьев, подвержены половому конфликту или отбору в противоположных направлениях самцами и самками.
В новом исследовании ВанКурен и соавтор Маньюан Лонг, доктор философии, почетный профессор Эдны К. Папазян в Университете Чикаго, проанализировали дубликаты гена плодовой мушки Drosophila melanogaster. Две копии, названные Аполлоном и Артемидой, начинались как один и тот же ген, когда D. melanogaster впервые выделился в отдельный вид 1,5 миллиона лет назад. Основываясь на генетических различиях, которые ВанКурен и Лонг видят между Аполлоном и Артемидой у современных мух, они подсчитали, что исходный ген продублировал себя или был скопирован и вставлен как вторая версия в геном около 200 000 лет назад.
С тех пор, как братья-близнецы и сестры греческих богов, в честь которых они названы, Аполлон и Артемида пошли своим путем. И самцы, и самки несут обе копии, но используют их по-разному. Аполлон стал необходим самцам для производства сперматозоидов, в то время как Артемида необходима самкам для производства яйцеклеток.
Это одно из первых исследований, в котором представлены данные, показывающие, что дупликация генов может разрешать сексуальный конфликт в гене, и что отдельные функции могут развиваться гораздо быстрее, чем предсказывают классические эволюционные теории.
"Это необычно быстро", сказал Лонг. «Все предыдущие открытия говорят о десятках миллионов лет для развития половых функций, так что это драматично».
Даже несмотря на то, что они стали постоянными элементами генома D. melanogaster, Аполлон и Артемида по-прежнему демонстрируют перетягивание и притяжение сексуального конфликта. Когда ВанКурен и Лонг экспериментально выключили Артемиду у самцов, их плодовитость увеличилась; Точно так же отключение Аполлона увеличило женскую фертильность. Даже после того, как они размножились и специализировались, их присутствие все еще оказывает пагубное влияние на противоположный пол.
В то время как ВанКурен и Лонг еще не знают функции наследственного гена, который предшествовал Аполлону и Артемиде, они подозревают, что он должен был стать предметом чрезвычайно сильного сексуального конфликта, чтобы все еще видеть остаточные эффекты. И, специализируясь за такой короткий промежуток времени, эти разнояйцевые гены близнецов показывают, что то, что может показаться одним из самых важных биологических функций, может эволюционировать относительно быстро.
«Несмотря на то, что эти гены могли сформироваться 200 000 лет назад, мы видим совершенно разные, но важные функции у этих двух полов», - сказал ВанКурен. «Обычно, когда люди думают о действительно важных функциях генов, они думают об очень старых генах, выдержавших испытание временем. Но это действительно показывает, что возраст может не дать полной информации о функциях генов».