La funzione e l'evoluzione di un interruttore genetico che controlla la differenziazione dell'occhio sessualmente dimorfico nelle api mellifere

Nature Communications volume 14, numero articolo: 463 (2023) Citare questo articolo

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Gli animali sviluppano strutture morfologiche specifiche del sesso che sono diverse tra gli organismi. Tuttavia, la comprensione dei meccanismi di sviluppo ed evoluzionistici che governano questi tratti è ancora limitata e in gran parte limitata ai geni del dominio DM, che sono regolatori dello sviluppo conservati e specifici del sesso identificati nei modelli genetici. Qui, riportiamo un gene regolatore dello sviluppo specifico del sesso, glubschauge (glu) che regola selettivamente la differenziazione dell'occhio sessualmente dimorfico nelle api mellifere. Abbiamo scoperto che il gene femminizzatore (fem) per la determinazione del sesso controlla lo splicing sesso-specifico delle trascrizioni glu, stabilendo un interruttore genetico in cui le proteine ​​Glu con un dominio zinc finger (ZnF) sono espresse solo nelle femmine. Abbiamo dimostrato che la sequenza di codifica femminile era essenziale e sufficiente per una femminilizzazione parziale. Sequenza comparativa e studi funzionali hanno rivelato che l'origine evolutiva del cambiamento genetico è stata seguita dall'origine mutazionale del dominio ZnF essenziale. I nostri risultati dimostrano che glu è un interruttore genetico specifico del sesso di nuova evoluzione per la regolazione specifica della regione di un carattere dimorfico.

Le differenze morfologiche tra maschi e femmine sono molto comuni negli organismi animali. Lo sviluppo di tale dimorfismo sessuale migliora direttamente o indirettamente la forma fisica del portatore. Le corna esagerate di alcuni coleotteri, la colorazione e le dimensioni della coda del pavone forniscono esempi intriganti di tali strutture sessualmente dimorfiche. L'emergere evolutivo di nuove caratteristiche sessuali in diversi lignaggi animali stabilisce notevoli differenze tra gli organismi. Tuttavia, la nostra conoscenza dei meccanismi di sviluppo molecolare ed evolutivi che governano il dimorfismo sessuale è ancora limitata. Ciò è in parte dovuto al fatto che il lavoro si è concentrato su un numero limitato di tratti di dimorfismo sessuale e che sono state eseguite ricerche sistematiche di regolatori dello sviluppo in pochissimi modelli genetici.

La determinazione del sesso stabilisce un segnale binario che viene solitamente trasdotto attraverso una cascata di geni in regolatori dello sviluppo controllati in modo specifico dal sesso responsabili della mediazione degli aspetti della differenziazione sessuale1,2,3. Nei vertebrati, il percorso di determinazione del sesso determina il sesso della gonade. Le gonadi producono ormoni sessuali che regolano il destino sessuale dei tessuti non gonadici. Negli invertebrati, il segnale primario di determinazione del sesso viene trasdotto ai regolatori dello sviluppo che sono fattori di trascrizione. Il risultato è una decisione puramente autonoma ma coordinata della cellula riguardo al destino sessuale. Un regolatore chiave dello sviluppo per il dimorfismo sessuale negli invertebrati è il gene del dominio DM1,2,4. Questo gene codifica per un fattore di trascrizione del tipo a dominio DM con un dominio di legame del DNA di tipo zinc finger intrecciato ed è coinvolto nella specificazione degli organi riproduttivi1,5. I dimorfismi sessuali regolati dai geni del dominio DM in altre parti del corpo sono la morfogenesi del racconto maschile in Caenorhabditis elegans6,7, l'antenna specifica del maschio e l'uncino toracico copulatorio nel crostaceo Daphnia magna8, i pettini sessuali sulle zampe anteriori maschili in Drosophila melanogaster9,10, il dimorfismo sessuale strutture esagerate del corno in alcuni coleotteri11,12,13 e altre caratteristiche4,14,15,16,17,18. Una caratteristica generale che emerge da questi studi è che i geni del dominio DM sono regolatori dello sviluppo che operano come interruttori genetici sesso-specifici, poiché forniscono attività limitata a un sesso (stati di attività ON o OFF) o distinta tra i sessi. Screening sistematici hanno rivelato che il gene doublesex (dsx) (che è uno dei geni del dominio DM negli insetti) è il principale regolatore dello sviluppo della differenziazione sessuale in D. melanogaster, poiché specifica quasi tutte le caratteristiche di dimorfismo sessuale in questa specie19,20. Tuttavia, il modo in cui vengono regolate le altre caratteristiche di dimorfismo sessuale è in gran parte sconosciuto.