Метаболизм холестерина обрек самок осьминогов на саморазрушение после спаривания

Самки осьминогов самоотверженно ухаживают за кладкой яиц, а затем умирают от голода и стремительного старения. Биологам удалось выяснить, что саморазрушение этих головоногих моллюсков после спаривания связано с изменениями в метаболизме холестерина в зрительных железах. На его основе образуется больше 7-дегидрохолестерина, а также некоторых стероидных гормонов и желчных кислот. Они усиливают материнскую заботу и одновременно подталкивают осьминога к смерти. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Current Biology.

Осьминоги живут недолго. Самцы этих головоногих моллюсков обычно умирают вскоре после спаривания, а самки в течение нескольких месяцев (или, в отдельных случаях, лет) защищают и вентилируют кладку яиц. Все это время они не едят, быстро стареют, наносят сами себе повреждения и в конце концов погибают. Ученым известно, что размножение и продолжительность жизни осьминогов регулируются зрительными железами — аналогами гипофиза позвоночных (если их удалить, самка бросит кладку, снова начнет питаться и проживет на несколько месяцев дольше обычного). Однако какие именно химические соединения запускают стремительное старение, до сих пор оставалось неизвестным.

Разобраться в этом вопросе решила команда биологов, которую возглавила Янь Ван (Z. Yan Wang) из Чикагского университета. Для этого исследователи поймали в дикой природе несколько калифорнийских двупятнистых осьминогов (Octopus bimaculoides), включая самок, стерегущих кладки. Затем моллюсков умертвили, извлекли у них зрительные железы и провели транскриптомный анализ их тканей.

Ван и ее коллеги обнаружили, что зрительные железы взрослых самок осьминогов вырабатывают сигнальные молекулы двух основных типов: нейропептиды и стероидные гормоны. Однако после спаривания активность генов, кодирующих нейропептиды, снижается. Напротив, гены, которые кодируют ферменты, участвующие в синтезе стероидных гормонов, начинают экспрессироваться сильнее. К таким ферментам относится, в частности, холестерол-7-десатураза. Она превращает холестерин в 7-дегидрохолестерин, контролирующий созревание и продолжительность жизни у многих беспозвоночных. Интересно, что у людей мутация, вызывающая повышенный уровень 7-дегидрохолестерина, приводит к тяжелым нарушениям развития и поведения (так называемый синдром Смита — Лемли — Опица). Например, люди с такой мутацией нередко наносят себе повреждения, что напоминает поведение самки осьминога в конце жизни.

Дополнительные эксперименты подтвердили, что холестерол-7-десатураза экспрессируется в зрительных железах осьминогов, но не в соседних тканях мозга, а также что синтез этого фермента усиливается у спарившихся самок. Воспользовавшись жидкостной хроматомасс-спектрометрией, Ван и ее соавторы установили, что уровень холестерина в зрительных железах самок после спаривания не меняется, однако концентрация 7-дегидрохолестерина растет.

Газовая хроматомасс-спектрометрия выявила в зрительных железах осьминогов разнообразный набор других стеринов, включая ланостерол, дигидроланостерол, десмостерол и холестанол. Их присутствие указывает, что метаболизм холестерина в зрительных железах идет по двум путям: пути Блоха (синтез холестерина из десмостерола) и пути Кандуч-Рассела (синтез холестерина из 7-дегидрохолестерина с помощью 7-дегидрохолестеролредуктазы). Поскольку уровень холестерина после спаривания остается прежним, а уровень десмостерола снижается, авторы полагают, что активность пути Кандуч-Рассел у оплодотворенных самок осьминогов не меняется, а путь Блоха усиливается, чтобы производить больше 7-дегидрохолестерина и его метаболитов.

С помощью жидкостной хроматомасс-спектрометрии Ван с соавторами также выявили в зрительных железах спарившихся самок повышенный уровень прогестерона. У млекопитающих это соединение играет важную роль в регуляции менструального цикла и беременности. Кроме того, исследователям удалось обнаружить в зрительных железах самок еще около 3200 соединений, концентрация которых изменилась после спаривания. Большинство из них связаны с метаболизмом стеринов и желчных кислот.

Авторы сконцентрировали внимание на двух веществах, концентрация которых в зрительных железах выросла после спаривания. Первое из них — прегненолон. У млекопитающих данное соединение образуется из холестерина при участии 20,22-десмолазы и служит основой для синтеза всех стероидных гормонов (стероидогенеза). Например, фермент 3-бета-гидроксистероиддегидрогеназа превращает прегненолон в прогестерон. Поскольку в зрительных железах оплодотворенных самок осьминогов концентрация прогестерона повышена, а других производных прегненолона — нет, то можно предположить, что прегненолон в них в основном используется для синтеза прогестерона.

Второе вещество, на которое обратили внимание Ван и ее соавторы, — 7α-гидроксихолестенон. С этого производного холестерина начинается синтез желчных кислот. Например, у человека из него образуется хенодезоксихолевая кислота. В зрительных железах осьминогов образуется предшественник этой кислоты, но не она сама (желчные кислоты млекопитающих вообще не вырабатываются у беспозвоночных).

Таким образом, после спаривания в зрительных железах самок осьминогов резко изменяется метаболизм холестерина. Увеличивается синтез трех его важных производных: 7-дегидрохолестерина; стероидных гормонов, производных от прегненолона; а также 7α-гидроксихолестенона, предшественника желчных кислот. Ученым давно было известно, что прогестерон и другие производные прегненолона регулируют процессы, связанные с размножением, однако для 7-дегидрохолестерина и желчных кислот эта функция описана впервые.

Вероятно, высокие уровни 7-дегидрохолестерина сами по себе токсичны для осьминогов (как и для людей), либо приводят к выработке сигнальных факторов, которые убивают этих моллюсков. Похожую роль могут играть определенные желчные кислоты. На это указывает тот факт, что у нематод Caenorhabditis elegans дафахроновые кислоты, производные желчных, регулируют продолжительность жизни. Авторы предполагают, что различные химические соединения, которые активно производятся в зрительных железах самок осьминогов после спаривания и участвуют в саморазрушении этих моллюсков, воздействуют на различные типы тканей — либо работают синергетически, одновременно усиливая материнскую заботу и провоцируя быстрое старение.

Осьминоги и другие головоногие моллюски отстраняются от предметов, которые представляют для них физическую угрозу. Однако долгое время биологи не могли однозначно подтвердить, что эти существа испытывают боль. О том, как специалисты изучают этот вопрос, читайте в нашем материале «Боль головоногая».

Сергей Коленов