Bild eines Löwen: Das Männchen hat eine üppige Mähne, das Weibchen nicht. Dies ist ein klassisches Beispiel für das, was Biologen als sexuellen Dimorphismus bezeichnen - die beiden Geschlechter derselben Spezies weisen Unterschiede in Form oder Verhalten auf. Männliche und weibliche Löwen teilen so ziemlich die gleichen genetischen Informationen, sehen jedoch sehr unterschiedlich aus.
Wir sind es gewohnt, Gene als verantwortlich für die Merkmale zu betrachten, die ein Organismus entwickelt. Aber verschiedene Formen eines Merkmals - Mähne oder keine Mähne - können sich aus praktisch identischen genetischen Informationen ergeben. Darüber hinaus sind die Merkmale nicht alle gleichermaßen sexuell dimorph. Während die Schwänze von Pfauen und Pfauen sehr unterschiedlich sind, sind ihre Füße zum Beispiel ziemlich gleich.
Das Verständnis, wie diese Formvariation entsteht - was Genetiker als phänotypische Variation bezeichnen -, ist von entscheidender Bedeutung für die Beantwortung verschiedener wissenschaftlicher Fragen, einschließlich der Frage, wie neue Merkmale während der Evolution auftreten und wie komplexe Krankheiten im Laufe eines Lebens entstehen.
Deshalb haben Forscher das Genom genauer unter die Lupe genommen und nach den Genen gesucht, die für die Unterschiede zwischen den Geschlechtern und zwischen den Merkmalen innerhalb eines Geschlechts verantwortlich sind. Der Schlüssel zu diesen sexuell dimorphen Merkmalen scheint eine Art Protein zu sein, das als Transkriptionsfaktor bezeichnet wird und dessen Aufgabe es ist, Gene ein- und auszuschalten.
In unserer eigenen Arbeit mit Mistkäfern entwirren meine Kollegen und ich, wie diese Transkriptionsfaktoren tatsächlich zu den unterschiedlichen Merkmalen führen, die wir bei Männern und Frauen sehen. Vieles hat damit zu tun, dass ein Gen für verschiedene Proteine kodiert, je nachdem, wie die Bausteine miteinander verbunden sind.
Das Doublesex-Gen bewirkt beim Schmetterling Papilio polytes, dem gemeinen Mormonen, einen visuell offensichtlichen Geschlechtsdimorphismus. Weiblich (oben), männlich (unten). (Jeevan Jose, Kerala, Indien, CC BY-SA) Im Laufe der Jahre haben verschiedene Gruppen von Wissenschaftlern unabhängig voneinander mit verschiedenen Tieren zusammengearbeitet, um Gene zu identifizieren, die die sexuelle Identität formen. Sie erkannten, dass viele dieser Gene eine bestimmte Region gemeinsam haben. Diese Genregion wurde sowohl im Wurm-Gen mab-3 als auch im Insekten-Gen doublesex gefunden. Daher nannten sie ähnliche Gene, die DMRT-Gene dieser Region enthielten, "Doublesex-mab-bezogene Transkriptionsfaktoren".
Diese Gene kodieren für DMRT-Proteine, die das Lesen oder die Expression anderer Gene ein- oder ausschalten. Dazu suchen sie nach Genen in der DNA, binden an diese Gene und erschweren oder erleichtern den Zugriff auf die genetischen Informationen. Durch die Kontrolle, welche Teile des Genoms exprimiert werden, führen DMRT-Proteine zu Produkten, die für Männlichkeit oder Weiblichkeit charakteristisch sind. Sie stimmen die Expression von Genen auf das richtige Geschlecht und Merkmal ab.
DMRTs verleihen fast immer Männlichkeit. Zum Beispiel verschlechtert sich das Hodengewebe bei männlichen Mäusen ohne DMRT. Wenn DMRT experimentell in weiblichen Mäusen hergestellt wird, entwickeln sie Hodengewebe. Diese Aufgabe, die Entwicklung der Hoden zu fördern, ist bei den meisten Tieren üblich, von Fischen und Vögeln bis hin zu Würmern und Muscheln.
DMRTs verleihen Tieren sogar Männlichkeit, bei denen Individuen sowohl Hoden als auch Eierstöcke entwickeln. Bei Fischen mit sequentiellem Hermaphroditismus - bei denen die Gonaden innerhalb desselben Individuums von weiblich zu männlich oder umgekehrt wechseln - führt das Wachsen und Abnehmen der DMRT-Expression zum Auftreten bzw. zur Rückbildung von Hodengewebe. Ebenso wird bei Schildkröten, die aufgrund der im Ei herrschenden Temperaturen männlich oder weiblich werden, DMRT im Genitalgewebe von Embryonen gebildet, die männlich fördernden Temperaturen ausgesetzt sind.
Bei Insekten ist die Situation etwas anders. Erstens hat sich die Rolle von DMRT ( Doublesex ) bei der Erzeugung von sexuellem Dimorphismus über die Gonaden hinaus auf andere Körperteile ausgedehnt, einschließlich Mundpartien, Flügelschalen und Paarungsborsten, die treffend als "Sexualkämme" bezeichnet werden.
Je nachdem, wie die Teile zusammengesetzt sind, kann ein Gen zu einer Reihe verschiedener Proteine führen. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Zweitens erzeugen männliche und weibliche Insekten ihre eigenen Versionen des Doublesex- Proteins durch das sogenannte "alternative Genspleißen ". Auf diese Weise kann ein einzelnes Gen mehrere Proteine codieren. Bevor Gene in Proteine umgewandelt werden, müssen sie „eingeschaltet“ werden. das heißt, in Anweisungen für den Aufbau des Proteins transkribiert.
Die Anweisungen enthalten jedoch sowohl nützliche als auch fremde Informationsbereiche, sodass die nützlichen Teile zusammengefügt werden müssen, um die endgültigen Proteinanweisungen zu erstellen. Indem die nützlichen Regionen auf unterschiedliche Weise kombiniert werden, kann ein einzelnes Gen mehrere Proteine produzieren. Bei männlichen und weiblichen Insekten führt dieses alternative Genspleißen dazu, dass sich die Doublesex- Proteine bei jedem Geschlecht unterschiedlich verhalten.
Anweisungen aus dem Doublesex- Gen könnten also bei einer Frau die Abschnitte 1, 2 und 3 enthalten, während bei einem Mann dieselbe Anweisung nur 2 und 3 enthalten könnte. Die verschiedenen resultierenden Proteine hätten jeweils ihre eigene Wirkung auf welche Teile des genetischen Codes werden ein- oder ausgeschaltet, was beispielsweise zu einem Mann mit großen Mundteilen und einer Frau ohne Mund führt.
Wie regulieren männliche und weibliche Formen des Doublesex Gene, um männliche und weibliche Merkmale zu erzeugen? Unsere Forschungsgruppe beantwortete diese Frage mit Mistkäfern, deren Artenzahl außergewöhnlich hoch ist (über 2.000), die auf allen Kontinenten außer in der Antarktis verbreitet sind, vielseitig sind (sie konsumieren jeden Mist) und eine erstaunliche Vielfalt in einem sexuell dimorphen Merkmal aufweisen: Hörner .
Dank des Doublesex-Gens sind beim Hirschkäfer Cyclommatus metallifer die Unterkiefer der Männchen (rechts) viel größer als die der Weibchen (links). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Wir konzentrierten uns auf den Bullenkopf-Mistkäfer Onthophagus taurus, eine Art, bei der Männchen große, bullenähnliche Kopfhörner produzieren, Weibchen jedoch hornlos bleiben. Wir fanden heraus, dass Doublesex- Proteine Gene auf zwei Arten regulieren können.
In den meisten Eigenschaften reguliert es unterschiedliche Gene in jedem Geschlecht. Hier fungiert Doublesex nicht als „Schalter“ zwischen zwei möglichen sexuellen Ergebnissen, sondern verleiht jedem Geschlecht unabhängig Männlichkeit und Weiblichkeit. Anders ausgedrückt, diese Merkmale stehen nicht vor einer binären Entscheidung, ob sie männlich oder weiblich sind, sie sind einfach asexuell und bereit für weitere Anweisungen.
Die Geschichte ist anders für die Kopfhörner der Mistkäfer. In diesem Fall wirkt Doublesex eher wie ein Schalter, der die gleichen Gene bei beiden Geschlechtern reguliert, jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Das weibliche Protein unterdrückte Gene bei Frauen, die andernfalls durch das männliche Protein bei Männern gefördert würden. Warum sollte es einen evolutionären Anreiz geben, dies zu tun?
Unsere Daten deuten darauf hin, dass das weibliche Doublesex- Protein dies tut, um den sogenannten „sexuellen Antagonismus“ zu vermeiden. In der Natur wird Fitness sowohl durch natürliche als auch durch sexuelle Selektion geformt. Natürliche Selektion begünstigt Merkmale, die das Überleben fördern, während sexuelle Selektion Merkmale begünstigt, die den Zugang zu Partnern verbessern.
Manchmal sind sich diese Kräfte einig, aber nicht immer. Die großen Kopfhörner des männlichen O. Stiers erhöhen den Zugang zu Gefährten, aber die gleichen Hörner wären ein Ärger für Frauen, die unterirdisch tunneln müssen, um ihre Nachkommen aufzuziehen. Dies schafft eine Spannung zwischen den Geschlechtern oder einen sexuellen Antagonismus, der die allgemeine Fitness der Spezies einschränkt. Wenn das weibliche Doublesex- Protein jedoch Gene „ausschaltet“, die bei Männern für das Hornwachstum verantwortlich sind, geht es der gesamten Spezies besser.
Unsere laufende Forschung befasst sich mit der Entwicklung von Doublesex, um die enorme Vielfalt des sexuellen Dimorphismus bei Mistkäfern zu erzeugen. Artenübergreifend kommen Hörner in verschiedenen Körperregionen vor, wachsen bei Diäten unterschiedlicher Qualität unterschiedlich und können sogar bei Frauen und nicht bei Männern vorkommen.
In Onthophagus sagittarius zum Beispiel ist es das Weibchen, das kräftige Hörner anbaut, während Männchen hornlos bleiben. Diese Art ist nur fünf Millionen Jahre von O. taurus entfernt, ein bloßer Zeittropfen im evolutionären Eimer für Insekten. In der Perspektive haben sich Käfer vor etwa 225 Millionen Jahren von Fliegen gelöst. Dies deutet darauf hin, dass sich Doublesex schnell entwickeln kann, um die Regulation der Gene, die der Hornentwicklung zugrunde liegen, zu erwerben, zu verändern oder zu modifizieren.
Wie hilft uns das Verständnis der Rolle von Doublesex bei sexuell dimorphen Insektenmerkmalen, die phänotypischen Unterschiede bei anderen Tieren, sogar beim Menschen, zu verstehen?
Trotz der Tatsache, dass DMRTs bei Säugetieren als nur eine Form gespleißt werden und hauptsächlich bei Männern wirken, wird die Mehrheit der anderen menschlichen Gene alternativ gespleißt; Genau wie das Doublesex- Gen von Insekten haben die meisten menschlichen Gene verschiedene Regionen, die mit unterschiedlichen Ergebnissen in unterschiedlicher Reihenfolge zusammengefügt werden können. Alternativ gespleißte Gene können je nach Geschlecht oder Merkmal unterschiedliche oder gegensätzliche Wirkungen haben. Wenn man versteht, wie sich Proteine, die durch alternativ gespleißte Gene produziert werden, in verschiedenen Geweben, Geschlechtern und Umgebungen verhalten, zeigt sich, wie ein Genom eine Vielzahl von Formen hervorbringen kann abhängig vom Kontext.
Am Ende können uns die Hörner des bescheidenen Mistkäfers einen Einblick in die Mechanismen geben, die der enormen Komplexität der Tierformen, einschließlich des Menschen, zugrunde liegen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Cris Ledón-Rettig, Postdoc-Stipendiatin für Biologie, Indiana University, Bloomington
