Univerza na Primorskem Fakulteta za matematiko, naravoslovje in informacijske tehnologije
Več informacij o projektu / More info about the project
Vsebina projekta / Project content
SLO:
Fenotipske
razlike med spoloma so za evolucijske biologe uganka, ki jo najnatančneje
ilustrira izraz »en genom, dva spola«. Slednje povzema vprašanje, kako iz
skoraj enakih genomov lahko nastanejo različni fenotipi. V srži problema je
»spolni konflikt«, ki nastane, ko genetske različice izbrane lastnosti
koristijo enemu in škodijo drugemu spolu. Čeprav je spolni dimorfizem pogost pojav,
pa so genetski in molekularnim mehanizmi, ki omogočajo evolucijo in nastanek
spolnega dimorfizma, večinoma nepoznani. Najsodobnejše študije kažejo, da je
spolni dimorfizem pogosto posledica spolnih razlik v izražanju genov in/ali
spolno specifičnih vzorcev spajanja mRNK. Poleg tega novejše študije
ugotavljajo, da na razlike v fenotipih vplivajo t.i. materinski učinki,
mehanizem, kjer matere vplivajo na fenotip potomcev, ki ni neposredno odvisen od
podedovanih genov. Materinski učinki so posledica bodisi specifičnih genov
matere (materinski-genetski učinki), bodisi okolja, v katerem ta živi
(materinski-okoljski učinki). Če imajo materinski učinki genetsko osnovo,
predstavljajo dedno komponento fenotipske variabilnosti. Preučevanje
materinskih genetskih učinkov v evolucijskih raziskavah je neraziskano in novo nastajajoče
področje.
Predlagani projekt MATES je logično nadaljevanje naših
dolgoletnih raziskav ekstremnega velikostnega spolnega dimorfizma (SSD) pri
vrsti pajka Nephilignis cruentata, kjer je samica v povprečju kar
75-krat težja od samcev in našega najnovejšega odkritja mehanizma, ki zaobide
spolni konflikt. S sodobnimi kvantitativnimi genetskimi pristopi smo namreč
pokazali, da variabilnost v velikosti samice pojasnjujejo predvsem neposredni
genetski učinki (~ 26%),
variabilnost samcev pa v ~25 % lahko pripišemo materinskim učinkom. Nasprotno,
materinski učinki pojasnjujejo le ~13 % variabilnosti velikosti samic,
neposredni genetski učinki pa pojasnjujejo le zanemarljiv del variabilnosti
velikosti samcev. Mehanizem, kjer se specifični prispevki neposrednih genetskih
in materinskih učinkov na velikost potomcev razlikujejo med spoloma, predstavlja
mehanizem, ki omogoča evolucijo za spol-specifičnih optimalnih vrednosti. To
prelomno odkritje v evolucijski biologiji predstavlja nov pogled na razrešitev
spolnega konflikta in odpira nove smeri raziskovanja mehanizmov nastanka
spolnega dimorfizma.
Projekt MATES je zasnovan na izsledkih kvantitativno-genetskih
raziskav z namenom, da odkrije mehanistične osnove SSD vrste N. cruentata. Predlagana raziskava bo preučila vlogo
in obseg neposrednih genetskih, materinih genetskih in okoljskih učinkov na
telesno velikost pri obeh spolih, opredelila materine lastnosti, ki vplivajo na
materine učinke, ter natančno določila gene, povezane s telesno velikostjo
samic, in materine lastnosti, ki vplivajo na velikost obeh spolov. MATES ima
štiri cilje: (1) identifikacijo genov, ki določajo telesno velikost pajkov; (2)
ovrednotiti naravo materinskih učinkov, ki pojasnjujejo variabilnost v
velikosti, torej če prevladujejo materinski genetski ali materinski okoljski
učinki; (3) identificirati reproduktivne lastnosti samice, ki so potencialni
vir materinskih učinkov, kot sta npr. velikost ali kvaliteta jajčnih celic; in
(4) opredeliti gene, ki nadzorujejo materinske učinke s pomočjo asociacijskih
študij na celotnem genomu. Raziskovalni projekt bo tako poglobil naše
razumevanje nastanka SSD in naravo dedovanja teh lastnosti. Projekt je zasnovan
interdisciplinarno in združuje sodobne metode iz kvantitativne genetike,
genomike, biokemije in razvojne biologije. Raziskovalna skupina združuje
raznovrstne raziskovalce s specializiranim znanjem in raziskovalce s širino, kar
zagotavlja teoretično in tehnično usposobljenost raziskovalne skupine in uspeh
projekta.
MATES odstira nove poglede na mehanizme nastanka razlik v
fenotipih obeh spolov. Ponuja nov pogled na klasičen problem, ki bo z
inovativnim raziskovalnimi pristopi nemara odstrl pot alternativnim razlagam in
postavil nov mejnik evolucijski biologiji.
EN
Phenotypic
sex differences present a fascinating evolutionary puzzle, encapsulated by the
notion of ‘one genome, two sexes’. This highlights the enigma of divergent
phenotypes arising from shared genomes. A key element in this complexity is
sexual conflict, where genetic variants beneficial for one sex may be
detrimental to the other. The genetic and molecular mechanisms that allow
sex-specific evolution of sexually dimorphic traits remain largely unknown.
Contemporary research points to the significant roles of differential gene
expression and mRNA splicing. Moreover, recent advancements have led to a
growing recognition of maternal effects, i.e. the causal influences of the
maternal phenotype on the offspring phenotype other than that of directly
transmitted genetic variants, as significant contributors to phenotypic
variance. The maternal effects can be attributed, like for most traits, to the
environmental conditions experienced by the mother or to the genes she carries.
In cases where maternal genetic effects are present, they offer a heritable
component to phenotypic variance. However, incorporating and quantifying the
maternal genetic effects in evolutionary research is still an emerging and
underexplored area.
The proposed project – MATES – is a logical continuation
of our long-term research on extreme sexual size dimorphism (SSD) in the
African hermit spider, Nephilingis cruentata, a species where females are on
average 75 times larger than males. Applying advanced quantitative genetics, we
found that female size variation is largely governed by direct genetic effects
(~ 26%), whereas variation in male size is influenced to ~ 25% by maternal
effects. The maternal effects account for only ~13% of the variation in female
body size, whereas the impact of direct genetic effects on male body size is
minimal. These results support a straightforward mechanism that avoids sexual
conflict and explains how evolution is possible towards sex-specific optima of
the same trait. This ground-breaking finding offers a new understanding of
sexual conflict resolution in evolutionary biology and opens new pathways for
exploring mechanisms enabling sexual dimorphism.
Expanding upon the recent insights gained from
quantitative genetic approaches, the MATES is designed to reveal the mechanisms
underlying body size differences between female and male N. cruentata. The research will investigate the impact of direct
genetic, maternal genetic, and maternal environmental influences on body size
in both sexes. It will focus on identifying genes that directly affect size,
determining maternal traits exerting maternal genetic effects and detecting
genetic variants underlying them. The MATES study has four key objectives: (1)
Identifying genes candidate genes associated with adult size, (2) Quantifying the origins of maternal effects on
offspring size, whether environmental, genetic, or both, (3) Identifying
specific maternal traits like egg size or quality that may be origins of
maternal effects, and (4) using Genome-Wide Association Studies to ultimately
connect genetic variation of maternal traits with maternal genetic variation of
offspring traits, enhancing our understanding of SSD and trait inheritance. The
project proposes a comprehensive interdisciplinary approach, integrating
various state-of-the-art approaches from quantitative genetics, genomics,
biochemistry, and developmental biology. Our MATES team is committed to
bringing together a diverse group of highly specialised experts and versatile
generalists, each bringing unique skills to further the aims of our study.
The MATES challenges the current knowledge of mechanisms
enabling phenotypic sex differences. It will contribute significantly to
science by offering fresh perspectives and challenging existing theories in
evolutionary biology. This pioneering research is expected to lead t o
ground-breaking discoveries and set new benchmarks in evolutionary biology.