Ćma gynandromorf wychodzi na światło dzienne  - opowiada historię o nauce 

Gynandromorfy są mieszanką cech męskich i żeńskich, często zdarzających się z powodu problemów w rozwoju – omawialiśmy potencjalnie gynandromorficznego ptaka kardynała trzy lata temu (tutaj). Istnieje związek między ptakami i motylami, polegający na tym, że obie grupy mają niezwykły sposób ustalania płci. U ssaków samice mają identyczne chromosomy płci (XX), podczas gdy samce mają jeden X i jeden Y – produkują dwa rodzaje gamet (plemniki X i Y) i są tak zwaną płcią heterogametyczną. Z niejasnych powodów u ptaków i łuskoskrzydłych (ćmy i motyle) samice są płcią heterogametyczną (dla uniknięcia zamieszania ich chromosomy płci nazywają się Z i W; samce w obu grupach są ZZ).

Wydaje się prawdopodobne, że te ćmy są gynandromorfami, ponieważ na bardzo wczesnym stadium rozwoju – prawdopodobnie, kiedy jajeczko zapłodnionej samicy ZW dzieliło się na dwie komórki – jedna z komórek potomnych z jakiegoś powodu “zgubiła” chromosom W. Tkanki wytworzone z tej komórki były więc „ZO” – potrzeba chromosomu W, by zostać samicą, a więc tkanka stała się męska. Ostra linia przedzielająca ćmy i „lustrzane odbicie” dymorficznych płciowo struktur zewnętrznych wzmacniają tę interpretację.

W Google jest wiele przykładów łuskoskrzydłych, które są gynandromorfami, prawdopodobnie z powodu połączenia zainteresowania ludzi tymi owadami oraz uderzającego dymorfizmu płciowego, jaki istnieje u wielu gatunków i jest łatwy do zauważenia:

Tutaj jest zdjęcie motyla nocnego brudnicy nieparki, który jest gynandromorfem, wyraźnie pokazując inaczej ukształtowane czułki (męska strona jest na prawo):

Jak pisał Jerry w swoim  poście o ptaku kardynale, ci z nas, którzy pracowali z muchą Drosophila(która, podobnie jak my, ma samice XX i samce XY) widzieli od czasu do czasu gynandromorfy, chociaż bez jakichś wystrzałowych genetycznych badań związku koloru oczu lub ciała z płcią nie tak łatwo rozróżnić muszych samców od samic jak w przykładach ciem i motyli pokazanych powyżej. Pamiętam jednak, że znalazłem wyraźną samicę muchy z przednimi odnóżami samca (męskie przednie odnóża mają „grzebienie płciowe” odgrywające rolę w zachowaniach seksualnych). Warto powtórzyć wyjaśnienie Jerry’ego:

U much płeć determinowana jest przez stosunek chromosomu X do autosomów. Muchy, jak wszystkie gatunki diploidalne, mają dwie kopie każdego autosomu. Jeśli masz także dwa chromosomy X, jesteś samicą, ponieważ stosunek autosomów do X jest 1:1. Jeśli masz jeden chromosom X i jeden chromosom Y, stosunek jest 2:1 i jesteś samcem. Y nie liczy się tutaj: jeśli utracisz Y i jesteś XO, nadal wyglądasz jak samiec, chociaż jesteś bezpłodny (geny do wytwarzania plemników znajdują się w Y).  

Aby więc powstały gynandromorfy u much, wystarczy, że jeden chromosom X zgubi się z jednej komórki, kiedy pierwotna komórka zygoty samicy (XX) dzieli się na dwoje. Jedna połowa muchy staje się wtedy XX, druga XO i mucha jest podzielona na połowę, wyglądając jak ta poniżej. Gynandromorfy nie muszą być jednak „pół na pół”. Chromosom X może zostać zgubiony na każdym niemal stadium rozwoju, więc muchy mogą być samcami w jednej czwartej, mieć nieregularne łaty męskości, mieć tylko kilka męskich komórek, lub wręcz tylko jedną szczecinkę.  

Dawno temu (tj., w latach 1970.) tworzenie mozaikowych much, w których różne kawałki tkanek były albo męskie, albo żeńskie, było jedynym narzędziem identyfikowania tkanek biorących udział w rozmaitych zachowaniach. Była to pedantyczna praca, zapoczątkowana przez jednego z największych powojennych naukowców, fizyka, który został genetykiem molekularnym a potem genetykiem behawioralnym, Seymoura Benzera. [JAC: patrz mój dodatek na dole, gdzie piszę o tym, jak użyłem tej metody do innego celu.]

Wraz z Yoshiki Hotta Benzer był w stanie nie tylko pokazać genetyczną kontrolę zachowania na poziomie tkanki, ale także pokazać, gdzie w zarodku determinowane były te tkanki, budując w ten sposób to, co nazwał mapą działań danej mutacji. Zaadaptowali tę technikę od jednego z założycieli genetyki, Arthura Sturtevanta, który pierwotnie zaproponował ją w 1929 r.

Tutaj jest kilka rysunków z artykułu Hotty i Benzera z 1972r. w „Nature”: Mapping of behavior in Drosophila mosaics. Pierwszy pokazuje zakres mozaik, które stworzyli – były znacznie bardziej zróżnicowane niż naturalnie występujące gynandromorfy z powodu sposobu, w jaki manipulowali specjalnym rodzajem chromosomu X u tych much zwanym chromosomem pierścieniowym X (znanym jako X-r). Ten chromosom X-r może zostać zgubiony na różnych etapach rozwoju, zmieniając tkankę z żeńskiej (XX-r) w męską (XO). Im później gubi się chromosom tym bardziej wyspecjalizowane tkanki będą męskie. Dzięki użyciu mutacji genu na kolor ciała na chromosomie X Hotta i Benzer mogli śledzić od zewnątrz muchy, które tkanki były męskie, a które żeńskie, bo były innych kolorów.

Mucha na górze po lewej stronie rysunku najwyraźniej straciła chromosom X-r na najwcześniejszym stadium rozwoju, stąd linia jest prosta. Jak można zobaczyć, efekt nie musi być symetryczny – jeśli chromosom zostaje zgubiony na późniejszym etapie, to może to dotknąć bardzo konkretnej części muchy, takiej jak prawe skrzydło u muchy na rysunku na górze po prawej (lewe skrzydło nadal jest żeńskie).

Druga ilustracja, jak interpretowali, pokazuje, która część zarodka muchy jest zaangażowana w determinowaniu zachowania mutacji zwanej hiperkinetyczną, w której mucha potrząsa nogami, kiedy jest znieczulona (okazało się, że to dość dziwne zachowanie ma wielkie znaczenie, bo powodują je zmiany aktywności kanałów jonowych w neuronach muchy). Okazuje się, niezaskakująco, że gen hiperkinetyczny wywierał wpływ w trzech odrębnych obszarach (jednym dla każdej pary odnóży muchy), z których wszystkie brały udział w tworzeniu układu nerwowego muchy, który kontroluje poruszanie się.

Żmudna natura tej techniki (nie można było przewidzieć, które tkanki stracą swój chromosom X-r, a często nie zachodziła dająca się wykryć zmiana) oraz problemy identyfikowanie tkanek pod epidermą, które zmieniły płeć, oznaczały, że nie przyjęła się zbyt szeroko. Pod koniec lat 1980. tę metodę zastąpiło bezpośrednie manipulowanie genami i tkankami, w których ulegały one ekspresji, ale przez wiele lat była to najnowocześniejsza nauka, dostępna tylko w kilku wiodących laboratoriach.

_______

Dodatek Jerry’ego: Używałem gynandromorfów i materiału pierścieniowego X Benzera i Hotty, żeby ustalić, gdzie w musze mieszczą się żeńskie feromony płci (woskowata substancja na jej naskórku, która podnieca samce do zalecania się do niej i kopulowania z nią). Jak napisał Matthew, ten zestaw much, który nadal istnieje, ma skłonność do tracenia chromosomów X, kiedy dostarcza je rodzic męski. Zygoty XX (samice) często tracą X na różnych stadiach rozwoju, dając płaty tkanki, która jest XO i dlatego jest męska. Można zobaczyć, które kawałki są męskie, ponieważ żeńskie X ma gen recesywny powodujący żółty kolor ciała, więc męskie kawałki (XO) są żółte, a żeńskie (XX z jednym genem na normalny kolor) są zabarwione normalnie.

Samice XX mają bardzo odmienne feromony płci od samców XY i XO. Przez korelowanie, które kawałki muchy gynandromorfa były męskie kontra żeńskie, a następnie wydobywanie heksanem feromonów płci każdej muchy i badanie ich tożsamości chemicznej w gazowym chromatografie, Ryan Oyama (mój student) i ja byliśmy w stanie ustalić, gdzie w ciele muchy wytwarzane były feromony płci i/lub przechowywane. Okazało się, że był to tylko naskórek odwłoka: muchy z żeńskimi głowami, nogami i tułowiami, ale męskimi odwłokami wytwarzały tylko męskie feromony. Ilość żeńskiego feromonu była proporcjonalna do ilości żeńskiej tkanki w odwłoku, ocenianej według widzialnego naskórka.

Korelowało to także z obserwacjami behawioralnymi, bo kiedy gynandromorfy testowaliśmy z normalnymi samcami (zawsze napalonymi), samce najenergiczniej zalecały się do gynandromorfów, które miały żeńskie odwłoki. (Mogło to oczywiście być związane z zachowaniem lub morfologią tych gynandromorfów zamiast z feromonami, musieliśmy więc zrobić również testy na feromony. Później inni badacze zlokalizowali produkujące feromony komórki do warstwy tuż poniżej naskórka na odwłoku, potwierdzając nasze wyniki.

Opublikowaliśmy nasze wyniki w “Proceedings of the National Academy of Sciences” (odnośnik poniżej) i uważałem, że był to sprytny sposób użycia starej technologii genetycznej do badania zachowania i biochemii. Niestety, artykuł przeszedł niemal niezauważenie!

__________________

Coyne, J. A. and R. Oyama. 1995. Localization of pheromonal sexual dimorphism in Drosophila melanogaster and its effect on sexual isolation. Proc Nat. Acad. Sci. USA 92:9505-9509.

A gynandromorph moth comes to the light and tells  a story about science

Why Evolution Is True, 2 września 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska