Пятидневное голодание превратило мальков японской медаки в самцов
Японская медака (Oryzias latipes)
Ho-Wen Chen / Flickr
У самок-мальков японской медаки (Oryzias latipes) появляются функциональные мужские половые органы, если они пять дней не ели, пишут в Biology Open. В норме в организме самок образуется достаточно липидов, чтобы подавить развитие семенников, но при голодании их не хватает.
У японских медак (еще их называют японскими оризиями), как и у людей, пол определяется хромосомами. Чтобы организм был самцом, на Y-хромосомах в его клетках должен присутствовать особый участок (теоретически он может находиться и на X-хромосоме, но это бывает редко). Однако, в отличие от нас, эти рыбы способны менять пол в течение жизни. Гены таких особей остаются прежними, но появляются функциональные половые органы, которых у рыбы с таким набором хромосом не должно быть.
В таких случаях смену пола запускают изменения условий окружающей среды. Самки медак становятся самцами, если у них долгое время повышен уровень стрессового гормона кортизола. Это может наблюдаться при постоянно повышенной температуре воды. Еще одним фактором может быть нехватка пищи. Известно, что недостаток питательных веществ снижает число половых клеток у самок лабораторных мышей, дрозофил и даже гребневиков. Вероятно, он мог бы влиять и на медак.
Проверить, как Oryzias latipes реагируют на голодание, взялись японские биологи во главе с Минору Танакой (Minoru Tanaka) из Нагойского университета. Они предположили, что нехватка питательных веществ будет мешать метаболизму липидов. Важную роль здесь играет пантотеновая кислота — медаки неспособы вырабатывать ее самостоятельно. Поэтому помимо мальков рыб, которых на пять первых дней после выхода из икринки полностью лишали пищи, было несколько групп медак, которым в воду добавляли пантотеновую кислоту в различных концентрациях, и группа, которой вводили ингибитор метаболизма этой кислоты (что не давало образовываться нужным липидам).
Исходя из имеющихся данных об определении пола, японцы предположили, что если смена пола произойдет, она будет связана с работой гена dmrt1. У самцов медак его экспрессия в норме выше, чем у самок. А у рыб, мутантных по этому гену, происходит смена пола: самцы становятся фенотипическими самками, то есть у них появляются рабочие яичники. Поэтому голоданию подвергли не только медак дикого типа, но и мутантных по гену dmrt1. У рыб всех групп определяли содержание липидов в организме с помощью красителя Oil Red O, фенотипический пол животных выявляли визуальным осмотром области гениталий, спинного и анального плавников, экспрессию dmrt1 — количественной ПЦР его РНК. Вторично фенотипический пол определяли у рыб, когда им было 3–4 месяца. Смотрели и на генетический — наличие Y-хромосомы.
Схема эксперимента (A), внешний вид генетических самцов и самок и их половых органов после него (B) и различия во внешнем виде голодающих мальков и тех, кто нормально питался (C)
Yuta Sakae et al. / Biology Open, 2020
Те медаки, которые пережили голодание, не всегда фенотипически соответствовали своему генетическому полу. Среди рыб дикого типа без Y-хромосомы 20 процентов выглядели как самцы. Среди мутантов по dmrt1 таких не было, все они выглядели как самки независимо от генотипа (что и было описано ранее). Все, кому в воду добавляли пантотеновую кислоту, сохранили свой генетический пол, а среди тех, кому доливали ингибитор ее метаболизма, 15 процентов из самок стали самцами.
Предполагаемый механизм смены пола, вызванной голоданием
Yuta Sakae et al. / Biology Open, 2020
Авторы предположили такой механизм смены пола у медак. Голодание снижает интенсивность метаболизма липидов (это было видно благодаря красителю) и концентрацию пантотеновой кислоты, а они в норме подавляют экспрессию гена dmrt1. Когда их ингибирующее действие снимается, образуется много РНК и белка dmrt1, он запускает формирование семенников.
Пока точно не ясно, почему не все самки сменили пол после голодания. Вероятно, оно должно длиться дольше пяти дней, но такой срок выбрали потому, что после этого у мальков не остается желточных запасов и их смертность резко возрастает. Кроме того, вероятно, что изменения, вызванные повышенной экспрессией dmrt1, могут нивелироваться, когда рыба начинает нормально питаться. В любом случае, появление мужских половых органов у самок рыб при нехватке липидов от голодания — это новый необычный механизм смены пола за счет внешних факторов
Пол меняют многие рыбы, притом довольно часто — уже будучи взрослыми, не мальками. Неплохо изучен в этом плане голубоголовый губан (Thalassoma bifasciatum) . Если из группы губанов убрать доминантного самца, его место займет одна из самок. У нее за несколько дней разовьются вполне функциональные семенники, и в них экспрессия генов изменится. Интересно, что в мозге она останется прежней.