Смена пола не затронула мозг голубоголового губана

Биологи из Новой Зеландии выяснили, что у самок голубоголового губана при превращении в самцов кардинально меняется активность генов в половых железах, но не в головном мозге. В статье в Science Advances приводится максимально подробное на данный момент описание процессов, сопровождающих смену пола у рыб.

В отличие от млекопитающих, многие рыбы способны менять пол после рождения. Как правило, причиной служит изменение внешних условий, например, соотношения самок и самцов. Наиболее изучен в этом плане голубоголовый губан (Thalassoma bifasciatum), обитатель коралловых рифов Карибского моря и Мексиканского залива. Эти рыбы живут группами, которые состоят из одного доминантного самца (его голова синяя) и нескольких десятков самок (они желтые). Есть еще недоминантные самцы, по внешнему виду и поведению они мало отличаются от самок, но имеют семенники. 

Когда доминантный самец по каким-то причинам покидает группу, другая рыба занимает его место. Если это самка, то за две-три недели она меняет окраску и становится крупнее, ее яичники перестают работать, вместо них развиваются семенники и начинают производить полноценные сперматозоиды. Меняется и поведение: бывшая самка из пассивной становится агрессивной, начинает отгонять других самцов и ухаживать за самками.

Как организм голубоголового губана осуществляет все эти превращения, было не вполне известно. Экспрессия (интенсивность работы) ряда генов при смене пола должна меняться, так как новые для данного тела биохимические процессы требуют новых ферментов, а ферменты — это белки, и они кодируются генами. Исследования других видов костистых рыб показали, что различия в активности генов у самок и самцов проявляются в основном в половых железах и в меньшей степени в мозге.

Это учли в своей работе исследователи из Университета Отаго (Новая Зеландия) во главе с Эрикой Тодд (Erica V. Todd). В 2012 и 2014 году они отлавливали и метили целые группы губанов у берегов Флориды. Рыбам определяли пол по длине генитальных сосочков и по гаметам, которые выбрасывали особи при надавливании им на брюшко. После этого недоминантных самцов отселяли на дальние рифы, чтобы эти рыбы не конкурировали с самками за возможность стать новыми доминантными самцами, а через два дня убирали и доминантных самцов. Это стимулировало смену пола у некоторых самок.

Затем биологи ежедневно на протяжении примерно месяца наблюдали за губанами в группах, которые остались без доминантных самцов, и отмечали изменения поведения животных. 27 самок выловили на разных стадиях превращения в самцов, провели гистологический анализ их половых желез и оценили в головном мозге и гонадах экспрессию генов, которые отвечают за синтез половых гормонов и нейропептидов. В качестве контроля выступили шесть самок, которые не продемонстрировали признаков смены пола. Параметры 27 меняющих пол самок сравнили с данными по восьми доминантным самцам, пойманным у других рифов.

Активность генов в головном мозге рыб, которые поменяли пол, почти не отличалась от таковой у обычных самок. Росла только экспрессия гена изотоцина — одного из нейропептидов, гомолога окситоцина млекопитающих. У рыб действие изотоцина связывают с повышенной территориальностью и агрессивностью. При этом интенсивность выработки других близких изотоцину молекул не менялась. Однако в гонадах происходили серьезные изменения. В яичниках подавлялась экспрессия гена ароматазы — фермента, который отвечает за выработку женских половых гормонов, эстрогенов. Протоки яичников закрывались, а в заново образованной ткани семенников усиливалась экспрессия генов amh, cyp11c1 и hsd11b2. Кодируемые ими белки участвуют в синтезе мужских половых гормонов — андрогенов.

Тем не менее, так и осталось неясным, что именно запускает изменение экспрессии генов. Авторы предполагают, что это рост уровня кортизола — гормона стресса. Его становится больше в организме самки, когда она долгое время не видит доминантного самца. Также в работе не говорится, бывает ли, что самки останавливаются на какой-то из стадий смены пола, не превращаясь до конца в самцов, и если да, то какова физиология этих рыб, долго ли они живут.

Под влиянием внешних факторов пол меняют не только рыбы, но и моллюски. Так, морские брюхоногие крепидулы определяют, кто из двух самцов станет самкой, сравнивая размеры друг друга, и чем теснее физический контакт моллюсков в паре, тем быстрее происходит превращение.

Светлана Ястребова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
О свиньях и людях

Как превратить поросенка в донора безопасных органов

Первый и единственный человек, которому пересадили сердце генетически модифицированной свиньи, прожил с ним всего 60 дней. Спустя полтора года врачи все еще не выяснили, почему он умер, но подозревают, что иммунная система пациента так и не смирилась с трансплантатом. Возможно, отторжения удалось бы избежать, если бы пациенту пересадили человеческий орган, выращенный с нуля, например в организме той же свиньи. Теперь китайские ученые получили первый свиной эмбрион с зачатком человеческой почки, и стало возможно оценить, что на самом деле проще: замаскировать свиную почку под человеческую или вырастить в свинье настоящую почку человека. Свиное в человеке Чужой орган в теле человека никогда не станет своим. Даже если пересадка прошла удачно, а донор — близкий родственник. Почти всегда после такой операции человеку приходится до конца жизни принимать препараты, подавляющие активность иммунной системы. Что уж говорить о случаях, когда донор — животное другого вида. Во второй половине XX века врачи немало экспериментировали с такого рода пересадками. Но оказалось, что при ксенотрансплантациях даже иммуносупрессоры не помогают. Свиные сердца и обезьяньи печени редко выдерживали дольше нескольких дней или месяцев в организме человека. Оставив эти попытки, врачи обратились за помощью к генетикам. Те предложили вывести «гуманизированных» свиней — то есть животных, чьи ткани иммунная система человека согласится признать за свои. Самое простое, что можно для этого сделать, — убрать с поверхности клеток молекулы, которых в организме человека в принципе не бывает. В случае свиных клеток это дисахаридный фрагмент из двух галактоз (галактоза-альфа-1,3-галактоза). Чтобы от него избавиться, нужно вырезать из генома свиньи ген GGTA1: он кодирует фермент, который помогает навешивать этот хвост на мембрану клетки. Нокаута по этому гену достаточно, чтобы заплатка из свиной кожи или даже целая свиная почка не вызвали немедленного отторжения после пересадки. Но если орган должен остаться в теле человека надолго, то за недели и месяцы иммунная система сможет добраться и до менее доступных незнакомых молекул. А значит нужно действовать хитрее. Например, можно вмонтировать под капсулу свиной почки небольшой кусочек тимуса. Это орган, который обучает иммунные клетки не реагировать на собственные молекулы организма. Соответственно, тимус донора мог бы обучить лимфоциты хозяина терпеливо относиться к клеткам трансплантата. Под такой защитой свиная почка может прожить в человеке не меньше месяца. А можно пойти еще дальше и перестраховаться от всех возможных осложнений сразу. Так поступили генетики из компании Revivicor. В геном свиньи, чье сердце потом пересадили человеку, они внесли целых десять изменений: удалили три гена, отвечающих за появление чужеродных молекул на поверхности;удалили ген рецептора к гормону роста (чтобы сердце не реагировало на хозяйский гормон и не разрасталось);добавили шесть человеческих генов (два тормозят воспаление, два не дают белкам врожденного иммунитета связываться с клетками, два блокируют свертывание крови). Но пациент все равно умер. Он прожил со своим новым сердцем два месяца — а потом оно внезапно стало сдавать. Врачи до сих пор не знают точно, что пошло не так. Может быть, дело было в вирусе, который носило в себе животное-донор. А может — в антителах, которые врачи назначили пациенту, когда заметили признаки инфекции (потому что собственных антител у него после иммуносупрессии почти не осталось). Или же — в свиных антителах, которые образовывались в донорском сердце и вызвали в итоге иммунный ответ. Так или иначе, иммунная система на что-то среагировала. Отторжение все-таки произошло. Человеческое в свинье Сейчас невозможно сказать, удастся ли однажды заставить свиное сердце надежно прижиться внутри человека. До сих пор была всего одна такая операция. И получатель свиной почки — тоже пока только один. Поэтому и о перспективах таких операций, и об их возможных последствиях судить рано. Но можно уверенно сказать, что человеческие органы должны приживаться лучше свиных и нести с собой меньше рисков. Если научиться их выращивать. Собирать жизненно важные органы in vitro пока не получается, зато можно попробовать вырастить их внутри живого организма — например той же свиньи. Для этого у нее нужно отключить ген, отвечающий за развитие собственного органа, и подсадить в ее зародыш клетки человека (подробнее об этом методе мы рассказывали в материале «Свиное сердце»). Если свинья выживет и нужный орган вырастет, можно будет с уверенностью сказать, что он — человеческий. Правда для этого придется решить еще одну задачу — не маскировать свиные клетки под человеческие, а наоборот, сделать так, чтобы клетки человека стали своими в зародыше свиньи и их не убили соседи. Химеру из зародышей обычно собирают, пока они находятся на самых ранних стадиях развития. Эмбрион свиньи в этот момент похож на кучку клеток, которые еще не начали распределяться по органам и тканям. В нее можно подселить эмбриональные стволовые клетки человека — они находятся примерно на той же стадии — и надеяться, что они смешаются с толпой и будут участвовать в построении органов наравне с клетками свиньи. Поскольку в таком раннем зародыше нет тканей, там нет и крови, а значит, иммунное отторжение невозможно. Но спокойно интегрироваться человеческим клеткам мешает другой механизм — клеточная конкуренция (cellular competition). Судя по всему, клетки внутри зародыша посылают соседям сигнал начинать апоптоз. И если соседи по какой-то причине не производят достаточно белков-блокаторов апоптоза — например потому что в них есть какие-нибудь поломки или им не хватает энергии, — то они погибают. Поэтому подсаженные клетки в химерных зародышах приживаются плохо, особенно если речь не о близкородственных видах животных. Рекордное содержание человеческих клеток, которого удалось добиться в химерном эмбрионе с обезьяной, — 7 процентов, с мышью — 4 процента. В химерах со свиньями человеческие клетки до недавнего времени выживали еще хуже и составляли лишь доли процента. Чтобы помочь клеткам внутри химеры выжить, ученые пробуют генетически отключить у них программу апоптоза. Так, в 2021 году американские исследователи создали культуру клеток без гена TP53, который кодирует главный белок в программе апоптоза. Когда такие клетки подсадили в зародыш свиньи, они выжили и из них даже начала расти настоящая мышца — поскольку свиней взяли с дефектом развития мышц. Теперь другая группа ученых, китайские биологи под руководством Лая Лянсюэ (Liangxue Lai), задалась целью вырастить внутри свиньи человеческую почку — потому что почки для трансплантации гораздо нужнее мышц. Для этого исследователи встроили в геном человеческих клеток конструкцию из нескольких фрагментов ДНК. Начиналась она с сигнальной последовательности, которая реагирует на присутствие конкретного лекарства (доксициклина), — то есть работу следующих за ней генов можно было запускать по команде. Дальше располагались копии двух генов, один из которых (BLC2) останавливает апоптоз, а второй (MYCN) — участвует в делении. Эта генетическая конструкция должна была не останавливать программу клеточной смерти, а, наоборот, поддерживать программу выживания. Кроме этого, клетки пометили флуоресцентным белком, чтобы их легко можно было увидеть внутри химеры. После того, как эти клетки с помощью доксициклина «запрограммировали» на выживание, их подсадили в зародыши свиньи. И по подсчетам авторов статьи, они заняли примерно десятую часть от площади эмбриона. Это не обязательно означает, что они составили десять процентов всех клеток, но точно образовали в нем заметную (под флуоресцентным микроскопом) фракцию. Чтобы из человеческих клеток выросла именно почка, свинью-хозяина тоже понадобилось модифицировать. С помощью генных редакторов исследователи сделали нефункциональными два гена (SIX1 и SALL1), которые отвечают за дифференцировку почечных клеток и образование канальцев. Без человеческих клеток зародыши свиньи с дефектами в этих генах были жизнеспособны, но почка у них развивалась хуже обычного. Попробовав собрать из зародыша отредактированной свиньи и отредактированных же клеток человека химеру, ученые получили пять жизнеспособных зародышей, которые прижились у суррогатных матерей-свиней. Через месяц ученые прервали эти беременности и извлекли эмбрионы из матки. В той области, где у них должны были располагаться почки, исследователи заметили под микроскопом ярко-красное свечение — то есть человеческие клетки заняли предназначенное им место. Зачаток почки получился человеческим чуть больше чем наполовину — доля светящихся клеток составила в нем 50–65 процентов. Двойное ГМО То, что выросло в китайском эксперименте, — это, конечно, еще не полноценная почка. Это только зачаток, причем частично построенный из клеток свиньи. К тому же, полученный с крайне низкой эффективностью — прижились всего 5 эмбрионов из 1820. Этому проекту еще очень далеко до того, чтобы догнать отредактированных свиней и их органы, которые уже пересаживают пациентам. Тем не менее, это первый зачаток человеческой почки в свинье — и вообще первый зачаток жизненно важного органа человека, полученный с помощью такого метода. А значит, можно уже сейчас представить себе, насколько эта технология экономнее по сравнению с гуманизацией свиней — по крайней мере, по части необходимых генетических правок. Свинья, которая стала первым модифицированным донором сердца для человека, несла в себе десять генетических изменений. И даже они не помогли успокоить иммунную систему нового хозяина. Возможно, следующим поколениям свиней-доноров этих правок понадобится больше. Сколько именно — до сих пор непонятно. Например, американский генетик Джордж Черч, известный своими амбициозными идеями и большими проектами, утверждал, что нужно вычистить из свиного генома все эндогенные ретровирусы — мобильные элементы, которые способны перемещаться по геному и теоретически могут «перепрыгнуть» от донорского органа в человеческие клетки. Это еще 25 дополнительных правок, то есть в сумме уже практически сорок. И это, вероятно, не предел. В химере человека и свиньи правок пока меньше: две в человеческом геноме и еще две в свином. Но Лай Лянсюэ и его соавторы подозревают, что со временем их понадобится больше. Во-первых, при нынешнем дизайне эксперимента все равно не получится вырастить почку, в которой не было бы ни единой свиной клетки. Даже если ученые добьются того, что все до единого почечные канальцы будут человеческими, останутся еще кровеносные сосуды и элементы соединительной ткани. И если мы хотим, чтобы почка была совершенно невидима для человеческого иммунитета, у свиньи-донора придется отключить еще и гены, связанные с развитием капилляров. Будет ли жизнеспособна такая свинья? И что станет с другими ее органами, где, видимо, поселятся человеческие клетки и прорастут человеческие сосуды? Во-вторых, поставленный таким образом эксперимент может оказаться этически рискованным. Что, если человеческие клетки войдут в состав не только почки, но и нервной системы? Там, конечно, они будут неконкурентоспособны — и все же это будет мозг свиньи с человеческими клетками. Научное сообщество пока не установило никакой пороговой доли человеческих клеток, после которой мозг считается человеческим. Так что любой эксперимент с химерной нервной системой может вызвать вопросы у этических комитетов. Именно поэтому исследователи остановили свой эксперимент на 28-м дне развития. И проверили, что в предшественниках головного и спинного мозга у эмбрионов встречаются только единичные клетки человека, а в зачатках половых желез — и вовсе ни одной. Лай Лянсюэ и соавторы полагают, что с этической точки зрения их метод можно сделать более безопасным — если внести еще больше модификаций в геном человеческих клеток. То есть вырезать оттуда какие-нибудь гены, ключевые для развития нервной системы и половых желез. Тогда обе части химеры окажутся неполноценными — ни одна не выживет сама по себе, а итоговый организм будет мозаикой из органов разной видовой принадлежности. Какие именно гены могли бы быть хорошей мишенью для такой редактуры, исследователи не уточняют. И на всякий случай оговариваются: новые генетические вмешательства могут помешать человеческим клеткам образовать полноценную почку. Так или иначе, понадобится еще немало экспериментов, чтобы выяснить, возможен ли здесь компромисс. Реально ли сломать достаточное число участков в геноме, чтобы исключить одновременно этический риск и риск отторжения, — и при этом оставить клетки достаточно человеческими и способными сначала выжить внутри организма свиньи, а потом спасти жизнь пациенту?