Пол организма – мужской или женский – обычно определяется во время раннего эмбрионального развития и остается неизменным на протяжении всей жизни. У некоторых видов (например, красноухих пресноводных черепах и бородатых ящериц) эмбрион может сменить пол в зависимости от температуры, при которой развиваются яйца. А вот морские рыбы научились делать это уже во взрослом возрасте! Недавно исследователи подробно изучили процесс смены пола у самок талассомы синеголовой, которые были вынуждены заменить «гаремного» самца
Талассома синеголовая (Thalassoma bifasciatum) – небольшая тропическая рыбка, обитатель коралловых рифов. Большинство этих рыб к началу репродуктивного периода являются самками, которые составляют «гаремы» зрелых самцов. Но если этот «падишах» по какой-либо причине из гарема исчезает, его место занимает самая крупная из самок. В течение нескольких часов бывшая самка меняет поведение на более брутальное, а желтую окраску – на голубую, свойственную самцам. Метаморфоза завершается через 8–10 дней, когда яичники превращаются в семенники, успешно вырабатывающие сперматозоиды.
Ученые из Новой Зеландии, Австралии и США исследовали смену пола у синеголовых талассом на молекулярном уровне, работая с рыбами, обитающими у побережья Флориды. Они побуждали самок сменить пол, изымая самцов из устоявшихся социальных групп, а затем исследовали образцы их головного мозга и половых желез на разных стадиях превращения. Для изучения уровня экспрессии (активности) генов и факторов, ее регулирующих, они проанализировали изменения транскриптома (совокупности всех мРНК клетки, считанных с ДНК) и эпигенетическую (надгенную) регуляцию, связанную с метилированием ДНК.
Оказалось, что экспрессия генов в мозге рыб слабо менялась в процессе смены пола, но в половых железах наблюдались серьезные изменения, свидетельствующие о «перепрограммировании» клеток женских гонад в мужские. Инициатором процесса изменения гонад служил гормон стресса кортизол, что подтверждается наблюдаемыми изменениями активности генов, вовлеченных в его метаболизм. Действительно, исчезновение главы гарема вызывает у самок сильный социальный стресс, так как они вынуждены конкурировать между собой за «право» занять его место. Но пока неясно, насколько чувствительность к стрессу, связанная с социальным рангом, влияет на то, кто именно из самок станет самцом.
На следующем этапе трансформации резко снижается экспрессия генов, кодирующих фермент ароматазу, которая превращает мужские гормоны андрогены в женские эстрогены. За этим следует каскадный коллапс работы генной сети, отвечающей за женский фенотип, и активация генов, специфичных для семенников.
Этот процесс сопровождается эпигенетическими изменениями – интенсивным метилированием ДНК в клетках половых желез, отражающим изменение активности генов. Интересно, что на промежуточных стадиях смены пола клетки гонад становятся похожи на стволовые клетки по уровню экспрессии белков Polycomb – эпигенетических регуляторов, подавляющих активность генов, ответственных за дифференцировку клеток.
Еще один механизм связан с наличием паралогичных генов, которые образовались удвоением предковых генов. Например, у талассом продублирован ген wnt4, который у млекопитающих необходим для развития яичников. Один из этой пары – wnt4а, подавляется совместно с геном, кодирующим ароматазу. Второй – wnt4b, активируется на поздних стадиях превращения в самца и только в зрелых семенниках.
Становится понятно, что поддержание половых желез в «мужском» либо «женском» состоянии требует активной работы генных сетей и достаточно пластично. Последнее подтверждается экспериментами на мышах, в которых «выключение» у самок гена FOXL2 приводило к превращению яичников в семенники, а «выключение» гена DMRT1 у самцов – напротив, к превращению семенников в яичники. Это говорит о том, что «переключение» работы гонад по мужскому или женскому типу в зрелом возрасте в принципе возможно не только у рыб, но и у всех позвоночных животных.
Фото: Талассома синеголовая (Thalassoma bifasciatum), вверху – самка, внизу – самец. https://www.flickr.com