Imaginez un lion: le mâle a une crinière luxuriante, pas la femelle. Ceci est un exemple classique de ce que les biologistes appellent le dimorphisme sexuel: les deux sexes d'une même espèce présentent des différences de forme ou de comportement. Les lions mâles et femelles partagent à peu près la même information génétique, mais paraissent très différents.
Nous avons l'habitude de penser que les gènes sont responsables des traits qu'un organisme développe. Mais différentes formes d'un trait - crinière ou non - peuvent provenir d'informations génétiques pratiquement identiques. De plus, les traits ne sont pas tous également dimorphes sexuellement. Bien que les queues des paons et des paons soient extrêmement différentes, leurs pieds, par exemple, sont à peu près les mêmes.
Il est essentiel de comprendre comment cette variation de forme - ce que les généticiens appellent variation phénotypique - est essentielle pour répondre à plusieurs questions scientifiques, notamment la manière dont de nouveaux traits apparaissent au cours de l'évolution et la manière dont des maladies complexes apparaissent au cours de la vie.
Les chercheurs se sont donc penchés sur le génome et ont recherché les gènes responsables des différences entre les sexes et entre les traits d'un même sexe. La clé de ces traits sexuellement dimorphes semble être une sorte de protéine appelée facteur de transcription, dont le rôle est d'activer et de désactiver les gènes.
Dans notre propre travail sur les coléoptères, mes collègues et moi-même expliquons comment ces facteurs de transcription conduisent aux différentes caractéristiques observées chez les hommes et les femmes. Cela tient en grande partie à ce que l’on appelle «l’épissage alternatif de gènes», un phénomène qui permet à un seul gène de coder différentes protéines, en fonction de la manière dont les éléments constitutifs sont reliés.
Le gène doublesex produit un dimorphisme sexuel visuellement évident chez le papillon Papilio polytes, le mormon commun. Femelle (en haut), mâle (en bas). (Jeevan Jose, Kerala, Inde, CC BY-SA) Au fil des ans, différents groupes de scientifiques ont indépendamment travaillé avec différents animaux pour identifier les gènes qui façonnent l'identité sexuelle; ils ont réalisé que beaucoup de ces gènes partagent une région spécifique. Cette région génique a été trouvée à la fois dans le gène du ver mab-3 et dans le gène de l'insecte doublesex ; ils ont donc nommé des gènes similaires contenant les gènes DMRT de cette région, pour les «facteurs de transcription liés au doubleex mab».
Ces gènes codent pour les protéines DMRT qui activent ou désactivent la lecture ou l’expression d’autres gènes. Pour ce faire, ils recherchent des gènes dans l'ADN, se lient à ces gènes et facilitent ou compliquent l'accès à l'information génétique. En contrôlant quelles parties du génome sont exprimées, les protéines DMRT conduisent à des produits caractéristiques de la masculinité ou de la féminité. Ils font correspondre l'expression des gènes au bon sexe et au bon trait.
Les DMRT confèrent presque toujours la masculinité. Par exemple, sans DMRT, le tissu testiculaire chez les souris mâles se détériore. Lorsque la DMRT est produite expérimentalement chez des souris femelles, elles développent un tissu testiculaire. Ce travail de promotion du développement testiculaire est commun à la plupart des animaux, des poissons et des oiseaux aux vers et aux palourdes.
Les DMRT confèrent même une malignité chez les animaux lorsque les individus développent à la fois des testicules et des ovaires. Chez les poissons présentant un hermaphrodisme séquentiel, où les gonades changent de femelle à mâle, ou inversement chez le même individu, l’expression croissante et décroissante de l’expression de la DMRT entraîne l’apparition et la régression du tissu testiculaire, respectivement. De même, chez les tortues devenues mâles ou femelles en fonction des températures observées dans l'œuf, la DMRT est produite dans les tissus génitaux d'embryons exposés à des températures favorables à l'homme.
La situation est un peu différente chez les insectes. Premièrement, le rôle de la DMRT ( double malex ) dans la génération du dimorphisme sexuel s’est étendu au-delà des gonades à d’autres parties du corps, notamment les pièces buccales, les boutons auriculaires et les poils d’accouplement, qui portent le nom de «peigne sexuel».
Selon la façon dont les morceaux sont assemblés, un gène peut donner lieu à un certain nombre de protéines différentes. (Cris Ledón-Rettig, CC BY-ND) Deuxièmement, les insectes mâles et femelles génèrent leurs propres versions de la protéine DoubleSex par le biais de ce que l’on appelle «l’épissage alternatif des gènes». C’est un moyen pour un gène unique de coder plusieurs protéines. Avant que les gènes soient transformés en protéines, ils doivent être activés; c'est-à-dire transcrite en instructions sur la manière de construire la protéine.
Mais les instructions contiennent à la fois des régions utiles et des informations superflues. Les parties utiles doivent donc être assemblées pour créer les instructions finales relatives aux protéines. En combinant les régions utiles de différentes manières, un seul gène peut produire plusieurs protéines. Chez les insectes mâles et femelles, c'est cet épissage alternatif de gènes qui entraîne le comportement différent des protéines DoubleSex dans chaque sexe.
Ainsi, chez une femme, les instructions du gène DoubleSex pourraient inclure les sections 1, 2 et 3, tandis que chez un homme, les mêmes instructions pourraient ne comprendre que 2 et 3. Les différentes protéines résultantes auraient chacune un effet sur les parties du code génétique. sont activés ou désactivés, conduisant à un homme avec de grandes pièces buccales et à une femme sans, par exemple.
Comment les formes de double -sexe masculines et féminines régulent- elles les gènes pour produire des traits masculins et féminins? Notre groupe de recherche a répondu à cette question en utilisant des coléoptères, extrêmement nombreux en espèces (plus de 2 000), répandus (habitant sur tous les continents sauf l'Antarctique), polyvalents (consommant à peu près tous les types d'excréments) et présentant une diversité incroyable dans un trait sexuellement dimorphique: les cornes .
Grâce au gène DoubleSex, chez le coléoptère Cyclommatus metallifer, les mandibules des mâles (à droite) sont beaucoup plus grandes que celles des femelles (à gauche). (http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1004098) Nous nous sommes concentrés sur le doryphore à tête de taureau, Onthophagus taurus, une espèce dans laquelle les mâles produisent de grandes cornes de tête en forme de taureau mais les femelles restent sans corne. Nous avons constaté que les protéines DoubleSex peuvent réguler les gènes de deux manières.
Dans la plupart des traits, il régule différents gènes dans chaque sexe. Dans ce cas, doublesex n'agit pas comme un «commutateur» entre deux issues sexuelles possibles, mais accorde plutôt la virilité et la féminité à chaque sexe indépendamment. En d'autres termes, ces traits ne sont pas soumis à une décision binaire entre devenir un homme ou une femme, ils sont simplement asexués et sur le point de recevoir des instructions supplémentaires.
L'histoire est différente pour les cornes de dendroctones du fumier. Dans ce cas, doublesex agit plutôt comme un commutateur, régulant les mêmes gènes chez les deux sexes mais dans des directions opposées. La protéine femelle a supprimé les gènes chez les femmes qui seraient autrement promus par la protéine mâle chez les hommes. Pourquoi y aurait-il une incitation évolutive à faire cela?
Nos données suggèrent que la protéine féminine DoubleSex agit ainsi afin d'éviter ce que l'on appelle un «antagonisme sexuel». Dans la nature, la forme physique est façonnée à la fois par la sélection naturelle et sexuelle. La sélection naturelle favorise les traits augmentant la survie, tandis que la sélection sexuelle favorise les traits augmentant l'accès aux partenaires.
Parfois, ces forces sont d'accord, mais pas toujours. Les grosses cornes de tête de l' O. Taurus mâle augmentent leur accès aux partenaires, mais les mêmes cornes seraient un problème pour les femelles qui doivent creuser un tunnel sous terre pour élever leur progéniture. Cela crée une tension entre les sexes, ou antagonisme sexuel, qui limite la santé générale de l'espèce. Cependant, si la protéine féminine DoubleSex désactive les gènes qui, chez les hommes, sont responsables de la croissance des cornes, l’espèce tout entière fait mieux.
Nos recherches en cours traitent de l'évolution du double sexe pour générer la grande diversité du dimorphisme sexuel chez les dendroctones du fumier. Parmi les espèces, les cornes se trouvent dans différentes régions du corps, se développent différemment en fonction de régimes de qualité différents et peuvent même apparaître chez les femmes plutôt que chez les hommes.
Dans Onthophagus sagittarius, par exemple, c'est la femelle qui produit des cornes substantielles tandis que les mâles restent sans cornes. Cette espèce a seulement cinq millions d'années de divergence par rapport à O. taurus, une simple goutte de temps dans le seau évolutif des insectes. Pour la perspective, les coléoptères ont divergé des mouches il y a environ 225 millions d'années. Cela suggère que doublesex peut évoluer rapidement pour acquérir, changer ou modifier la régulation des gènes sous-jacents au développement des cornes.
Comment la compréhension du rôle du double sexe dans les traits d'insectes dimorphes sexuellement nous aidera-t-elle à comprendre la variation phénotypique chez d'autres animaux, même les humains?
Bien que les DMRT ne soient épissés que sous une seule forme chez les mammifères et agissent principalement chez les mâles, la majorité des autres gènes humains sont épissés alternativement; Tout comme le gène DoubleSex des insectes, la plupart des gènes humains ont diverses régions qui peuvent être épissées dans différents ordres avec des résultats variables. Alternativement, les gènes épissés peuvent avoir des effets distincts ou opposés en fonction du sexe ou du trait dans lequel ils sont exprimés. Comprendre comment les protéines produites par d'autres gènes épissés se comportent dans différents tissus, sexes et environnements révélera comment un génome peut produire une multitude de formes en fonction du contexte.
En fin de compte, les humbles cornes du coléoptère de la bouse peuvent nous donner un aperçu des mécanismes sous-jacents à la vaste complexité des formes animales, y compris les humains.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Cris Ledón-Rettig, boursière postdoctorale en biologie, Université de l'Indiana, Bloomington
