Физические различия между самцами и самками у видов являются обычным явлением, но еще многое предстоит узнать о генетических механизмах, лежащих в основе этих различий.
Новое исследование, проведенное учеными из Университета Индианы, показало, что «главный ген», который регулирует эти различия, играет сложную роль в сопоставлении правильной физической черты с правильным полом. Исследование, опубликованное 27 февраля в журнале Nature Communications, раскрывает новые подробности о поведении гена, называемого «двойной секс», или dsx.
Мы хотим узнать больше об этом гене, потому что он помогает нам ответить на главный вопрос о развитии и эволюции: как животные с похожими геномами, такие как самцы и самки одного и того же вида, производят разные версии одного и того же И почему некоторые черты, например декоративные черты, привлекающие самок, так сильно различаются, а другие, например ноги, - нет?» - сказал Крис Ледон-Реттиг, научный сотрудник факультета биологии Блумингтонского колледжа искусств и наук, руководивший исследованием.
Это важное исследование, потому что оно впервые рассматривает влияние dsx на весь геном. Выяснилось, что ген - это не просто «переключатель», отключающий определенные мужские черты у женщин, как считалось ранее. Скорее, он играет очень сложную роль в контроле проявления физических различий в разных точках генома в зависимости от пола.
Соавтором статьи является Эдуардо Заттара, научный сотрудник с докторской степенью на кафедре биологии. Старший автор - Армин Мочек, профессор кафедры.
Тонкий контроль, который dsx оказывает на мужские и женские черты, возможен, потому что ген действует удивительным разнообразием способов, сказал Ледон-Реттиг. Например, активируя разные гены у самцов и самок, он может стимулировать мужские или женские версии одного и того же признака, например, гениталий. Или, активируя одни и те же гены у самцов и одновременно подавляя их у самок, можно стимулировать противоположные черты.
«Способность предотвращать проявление мужских черт у женщин и наоборот является критически важной особенностью», - сказал Мочек. «Он защищает черты, которые приносят пользу только представителям одного пола, от причинения вреда представителям другого пола».
Например, у вида, используемого исследователями IU для изучения dsx - жука Onthophagus taurus - самцы обладают сложными рогами, чтобы бороться с соперниками за самок. Однако эти рога не дают такого же репродуктивного преимущества самкам - большие рога мешают им рыть туннели, используемые для гнездования потомства.
Похожая динамика существует и у птиц. Более высокий уровень тестостерона привлекает больше партнеров у самцов птиц из-за большей агрессии, но снижает материнский инстинкт у самок.
Оба примера подчеркивают противоречие, которое может существовать между естественным отбором, который отдает предпочтение признакам, способствующим выживанию вида, и половым отбором, который отдает предпочтение признакам, привлекающим партнеров. Если виду не хватает этой способности «буферизировать» мужские и женские черты, он может вымереть.
Для проведения исследования ученые IU сравнили гены, экспрессируемые у нормальных жуков, с генами, экспрессируемыми у жуков, у которых dsx был подавлен. Сравнение выявило более 1000 точек в геноме нормальных жуков, где dsx влиял на экспрессию генов у самцов, и более 250 точек, где он влиял на экспрессию генов у самок.
Важно, сказал Ледон-Реттиг, что большинство этих точек не пересекаются. Это указывало на то, что dsx не просто включал или выключал определенные гены для большинства изученных признаков, но скорее влиял на экспрессию генов в разных местах генома в зависимости от пола..
«По сути, dsx инструктирует развитие мужских и женских версий одного и того же признака, воздействуя на разные гены каждого пола», - сказала она.
Это было особенно актуально, когда они изучали влияние dsx на мозг, который регулирует поведение, связанное с полом, и на гениталии, используемые для размножения. Но для одного признака - рога на голове - исследование показало, что dsx иногда нацелен на одни и те же гены у обоих полов. В этой ситуации dsx регулировал гены в противоположных направлениях, создавая полностью рогатых самцов и полностью безрогих самок. Когда ученые отключили dsx, у обоих полов развились промежуточные рога одинакового размера.
Onthophagus taurus - один из немногих видов насекомых, у которых можно провести анализ всего генома, поскольку их геном был секвенирован в рамках проекта i5k, также известного как «Манхэттенский энтомологический проект». Министерством сельского хозяйства США, целью которого является расшифровка геномов 5000 насекомых и других членистоногих.
Генетическое секвенирование вида было проведено в рамках проекта с использованием насекомых, предоставленных лабораторией Мочека в IU, которая впервые применила насекомых для изучения фундаментальных принципов эволюции. Ледон-Реттиг и Заттара - сотрудники лаборатории Мочека.
«Мы стремимся расширить нашу работу над ролью dsx - и других генов - на половые различия между другими, близкородственными видами жуков», - сказал Ледон-Реттиг. «Эти жуки - действительно мощная платформа для раскрытия фундаментальных механизмов, лежащих в основе эволюционной диверсификации половых признаков у разных видов."