Systeeminäkökulma sukupuolenmääräytymisen kehitysbiologiaan

The existence of males and females is a fundamental aspect of animal biology but the developmental mechanisms of sex determination and sexual differentiation exhibit surprising evolutionary diversity. Depending on the species, sex determination mechanisms range from genetic sex chromosome effects to environmental temperature effects and even to social cues that derive from local population structure. Many genes and molecules that play a role in sex determination biology have been identified, yet it has often remained unclear how these factors work together. In this thesis, developmental biology of sex determination is approached as a complex dynamic system. The scope is widened from animal biology to an examination of a general biological phenomenon, complexity of which is addressed directly. The method of investigation is a theoretical one relying mostly on heuristic problem solving methods and system identification procedures. Posing of novel questions enables formulation of alternative hypothesis about some fundamental aspects of sex determination biology. For instance, according to current view, two distinctly different developmental programs form ovaries and testes. Here, an integrating system description is provided where both testicular and ovarian development are derivatives of a common developmental scheme. Also, in this thesis sexual germ line development receives a much more prominent role than what is usually the case in sex determination studies. A premis is formed that the foundation of system properties of sex determination biology can be found in the developmental life cycle progression of the germ cell line. This enables formulation of testable prediction about the nature of the relationship between germ cell biology and developmental mechanisms of complex multicellularity. This work shows that a dynamical systems view can be applied to developmental biology and sex determination studies. Conceptual tools are provided for the attainment of a better understanding of genetic and molecular aspects of sex determination biology and sexually dimorphic development.Sukupuolenmääräytyminen, eli yksilöiden kehittyminen koiraiksi tai naaraiksi, on monitahoinen biologinen ilmiö. Vaikka useat eläinlajit selkeästi koostuvat koiras- ja naaraspuolisista yksilöistä, voivat sukupuolta määrävät mekanismit olla hyvinkin erilaisia eri lajeilla. Esimerkkeinä mainittakoot alkionkehityksen aikana vallitsevan lämpötilan vaikutus (alligaattori), kromosomaaliset sukupuolierot (nisäkkäät, linnut) ja jopa sosiaalisen populaatiorakenteen perusteella tapahtuva sukupuolenmääräytyminen (eräät kalat). Vaikka biomolekulaarinen ja geneettinen tutkimus on paljastanut monia sukupuolenmääräytymiseen osallistuvia tekijöitä, useissa tapauksissa ei ole syntynyt selkeää kokonaiskuvaa kyseisten tekijöiden välisistä vuorovaikutuksista, tai niiden linkittymisestä varsinaisiin solu- ja kudostason kehitystapahtumiin. Tässä väitöskirjassa sukupuolenmääräytymisen kehitysbiologiaa lähestytään kompleksien systeemien näkökulmasta. Tarkastelun kohteena on se teoreettinen viitekehys, jonka puitteissa kokeellisten töiden tuloksia tarkastellaan. Tämän viitekehyksen systeemirakennetta tutkitaan heuristisen ongelmanratkaisun ja systeemianalyysin keinoin tavoitellen dynaamista systeemikuvausta, joka mahdollistaisi kokeellisten töiden myötä karttuvan tiedon tehokkaamman hyödyntämisen. Uudenlaisen kysymyksenasettelun kautta syntyy vaihtoehtoisia, testattavia näkökulmia eräisiin keskeisiin ongelmakohtiin, jotka tällä hetkellä vaikeuttavat tutkimusta. Esimerkiksi, vaikka nykynäkemyksen mukaan testiksen ja ovarion kehityksessä on kyse kahden erillisen kehitysohjelman toteutumisesta, esitetään tässä työssä yksi yhteinen viitekehys, joka soveltuu molempien tapausten yhtäaikaiseen tarkasteluun. Lisäksi sukusolulinjassa tapahtuva sukupuolenmääräytyminen, siittiöiden ja munasolujen muodostuminen, integroituu somaattisen sukupuolenmääräytymisen kehitysbiologiaan. Tämä työ osoittaa, että systeemitieteellinen lähestymistapa on sovellettavissa kehitysbiologiseen tutkimukseen ja tarjoaa uusia käsitteellisiä työkaluja sukupuolenmääräytymisen molekyylibiologisten kehitysmekanismien kompleksisuuden tarkasteluun.reviewe