Imagine um leão: o macho tem uma juba luxuriante, a fêmea não. Este é um exemplo clássico do que os biólogos chamam de dimorfismo sexual - os dois sexos da mesma espécie exibem diferenças de forma ou comportamento. Leões masculinos e femininos praticamente compartilham a mesma informação genética, mas parecem bem diferentes.
Estamos acostumados a pensar nos genes como responsáveis pelas características que um organismo desenvolve. Mas diferentes formas de traço - juba ou não - podem surgir de informações genéticas praticamente idênticas. Além disso, os traços não são todos igualmente sexualmente dimórficos. Enquanto as caudas de pavões e pavões são extremamente diferentes, os seus pés, por exemplo, são praticamente os mesmos.
Entender como essa variação de forma - o que os geneticistas chamam de variação fenotípica - surge é crucial para responder a várias questões científicas, incluindo como novos traços aparecem durante a evolução e como doenças complexas emergem durante toda a vida.
Assim, os pesquisadores examinaram mais de perto o genoma, procurando os genes responsáveis pelas diferenças entre os sexos e entre as características de um sexo. A chave para esses traços sexualmente dimórficos parece ser um tipo de proteína chamada fator de transcrição, cujo trabalho é transformar os genes “ligados” e “desligados”.
Em nosso próprio trabalho com besouros de esterco, meus colegas e eu estamos desenredando como esses fatores de transcrição realmente levam a diferentes características que vemos em machos e fêmeas. Muito disso tem a ver com algo chamado “splicing genético alternativo” - um fenômeno que permite que um único gene codifique proteínas diferentes, dependendo de como os blocos de construção são unidos.
O gene doublesex produz dimorfismo sexual visualmente óbvio na borboleta Papilio polytes, o mórmon comum. Feminino (superior), masculino (inferior). (Jeevan Jose, Kerala, Índia, CC BY-SA) Ao longo dos anos, diferentes grupos de cientistas trabalharam de forma independente com vários animais para identificar genes que moldam a identidade sexual; eles perceberam que muitos desses genes compartilham uma região específica. Esta região gênica foi encontrada tanto no gene worm mab-3 quanto no gene do inseto doublesex, de modo que eles nomearam genes similares contendo os genes DMRT dessa região, para “fatores de transcrição relacionados ao gene do tipo duplo ”.
Esses genes codificam as proteínas DMRT que ativam ou desativam a leitura ou expressão de outros genes. Para isso, eles buscam genes no DNA, ligam-se a esses genes e facilitam ou dificultam o acesso à informação genética. Ao controlar que partes do genoma são expressas, as proteínas DMRT levam a produtos característicos de masculinidade ou feminilidade. Eles combinam a expressão de genes com o sexo e a característica certos.
Os DMRTs quase sempre conferem masculinidade. Por exemplo, sem DMRT, o tecido testicular em ratos machos se deteriora. Quando o DMRT é produzido experimentalmente em camundongos fêmeas, eles desenvolvem tecido testicular. Esse trabalho de promoção do desenvolvimento dos testículos é comum à maioria dos animais, desde peixes e pássaros até vermes e amêijoas.
Os DMRTs até conferem masculinidade nos animais, nos quais os indivíduos desenvolvem testículos e ovários. Em peixes que exibem hermafroditismo seqüencial - onde as gônadas mudam de feminino para masculino, ou vice-versa, dentro do mesmo indivíduo - o aumento e o declínio da expressão da DMRT resultam na aparência e na regressão do tecido testicular, respectivamente. Da mesma forma, em tartarugas que se tornam machos ou fêmeas com base nas temperaturas experimentadas no ovo, a DMRT é produzida no tecido genital de embriões expostos a temperaturas masculinas.
A situação é um pouco diferente nos insetos. Primeiro, o papel do DMRT ( dobra dupla ) na geração de dimorfismo sexual estendeu-se além das gônadas para outras partes do corpo, incluindo peças bucais, asas e cerdas de acasalamento, apropriadamente chamadas de “pentes sexuais”.
Dependendo de como as peças são colocadas juntas, um gene pode resultar em várias proteínas diferentes. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Em segundo lugar, os insetos masculinos e femininos geram suas próprias versões da proteína doublesex através do que é chamado de "splicing alternativo de genes". Essa é uma forma de um único gene codificar múltiplas proteínas. Antes de os genes serem transformados em proteínas, eles devem ser ativados; isto é, transcrito em instruções de como construir a proteína.
Mas as instruções contêm regiões de informação úteis e externas, portanto, as partes úteis devem ser costuradas para criar as instruções finais da proteína. Combinando as regiões úteis de maneiras diferentes, um único gene pode produzir múltiplas proteínas. Nos insetos machos e fêmeas, é esse splicing genético alternativo que resulta em que as proteínas duplas se comportam de maneira diferente em cada sexo.
Assim, em uma mulher, instruções do gene doublesex podem incluir as seções 1, 2 e 3, enquanto que em um macho a mesma instrução pode incluir apenas 2 e 3. As diferentes proteínas resultantes teriam seu próprio efeito sobre quais partes do código genético são ligados ou desligados - levando a um macho com peças bucais enormes e uma fêmea sem, por exemplo.
Como formas masculinas e femininas de duplas regulam genes para produzir traços masculinos e femininos? Nosso grupo de pesquisa respondeu a essa pergunta usando besouros, que são excepcionalmente numerosos em espécies (mais de 2.000), difundidos (habitando todos os continentes exceto a Antártida), versáteis (consumindo todo tipo de esterco) e mostrando uma diversidade surpreendente em um traço sexualmente dimórfico: chifres .
Graças ao gene doublesex, no besouro do veado Cyclommatus metallifer, as mandíbulas dos machos (direita) são muito maiores que as fêmeas (esquerda). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Nós nos concentramos no besouro de esterco Onthophagus taurus, uma espécie na qual os machos produzem grandes chifres de cabeça parecidos com touro, mas as fêmeas permanecem sem chifres. Descobrimos que as proteínas doublesex podem regular os genes de duas maneiras.
Na maioria das características, regula diferentes genes em cada sexo. Aqui, o Doublesex não está agindo como um “interruptor” entre dois resultados sexuais possíveis, mas sim conferindo masculinidade e feminilidade a cada sexo independentemente. Em outras palavras, esses traços não enfrentam uma decisão binária entre se tornar homem ou mulher, eles são simplesmente assexuados e preparados para mais instrução.
A história é diferente para os chifres da cabeça dos besouros de esterco. Neste caso, o doublesex age mais como um interruptor, regulando os mesmos genes em ambos os sexos, mas em direções opostas. A proteína feminina suprimiu genes em fêmeas que de outro modo seriam promovidas pela proteína masculina nos machos. Por que haveria um incentivo evolucionário para fazer isso?
Nossos dados sugeriram que a proteína dupla do sexo feminino faz isso para evitar o que é conhecido como "antagonismo sexual". Na natureza, a aptidão é esculpida pela seleção natural e sexual. A seleção natural favorece características que aumentam a sobrevivência, enquanto a seleção sexual favorece características que aumentam o acesso aos parceiros.
Às vezes essas forças estão de acordo, mas nem sempre. Os grandes chifres de cabeça do macho O. taurus aumentam seu acesso aos parceiros, mas os mesmos chifres seriam um aborrecimento para as fêmeas que têm que escavar no subsolo para criar seus filhotes. Isso cria uma tensão entre os sexos, ou antagonismo sexual, que limita a aptidão geral da espécie. No entanto, se a proteína do sexo feminino duplicar “desligar” genes que nos machos são responsáveis pelo crescimento do chifre, toda a espécie se sai melhor.
Nossa pesquisa em andamento está abordando como o doublesex evoluiu para gerar a vasta diversidade de dimorfismo sexual em besouros de esterco. Entre as espécies, os chifres são encontrados em diferentes regiões do corpo, crescem diferentemente em resposta a diferentes dietas de qualidade e podem até ocorrer em fêmeas e não em machos.
Em Onthophagus sagittarius, por exemplo, é a fêmea que produz chifres substanciais, enquanto os machos permanecem sem chifres. Esta espécie é apenas cinco milhões de anos divergiu de O. taurus, uma mera queda de tempo no balde evolutivo para insetos. Por perspectiva, os besouros divergiram das moscas há cerca de 225 milhões de anos. Isso sugere que o doublesex pode evoluir rapidamente para adquirir, mudar ou modificar a regulação dos genes subjacentes ao desenvolvimento do chifre.
Como a compreensão do papel do duplo-gene nas características do inseto sexualmente dimórfico nos ajuda a entender a variação fenotípica em outros animais, até mesmo em humanos?
Apesar do fato de que os DMRTs são divididos em apenas uma forma em mamíferos e atuam principalmente em machos, a maioria dos outros genes humanos são alternativamente unidos; Assim como o gene doublesex dos insetos, a maioria dos genes humanos tem várias regiões que podem ser unidas em ordens diferentes com resultados variados. Alternativamente, genes combinados podem ter efeitos distintos ou opostos baseados em qual sexo ou característica eles são expressos. Compreender como proteínas produzidas por genes alternativamente processados se comportam em diferentes tecidos, sexos e ambientes revelará como um genoma pode produzir uma infinidade de formas. dependendo do contexto.
No final, os humildes chifres de escaravelho podem nos dar uma espiada nos mecanismos subjacentes à vasta complexidade das formas animais, inclusive os humanos.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, Pós-Doutorado em Biologia, Universidade de Indiana, Bloomington
