Мужская беременность у морских коньков: генетические и гормональные механизмы
У морских коньков потомство вынашивают самцы. Самки откладывают икру в специальную выводковую сумку на брюхе самца, где она оплодотворяется его спермой. В сумке эмбрионы получают от тела самца питательные вещества и кислород, пока самец не произведет на свет полностью сформированных мальков (живорождение).
Немецко-китайская исследовательская группа под руководством эволюционного биолога Акселя Мейера из Констанцского университета совместно с Лю Яли и Линь Цяном из Южнокитайского морского института океанологии изучила генетические и клеточные механизмы этой смены половых ролей. Было обнаружено, что этому способствовали необычные гормональные процессы и уникальные стратегии иммунной толерантности.
Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.
Выводковая сумка — эволюционная инновация
С эволюционной точки зрения выводковая сумка — наряду с «мужской беременностью» — является уникальным новшеством. У морских коньков она выполняет функции матки и плаценты. Во время беременности ткань сумки изменяется и формирует структуру, подобную плаценте у млекопитающих.
Исследователи изучили этот процесс с помощью сравнительных геномных методов и РНК-анализа на клеточном уровне, сравнив клетки и клеточные сигналы в плацентах млекопитающих и в выводковых сумках самцов морских коньков.
Во всех других случаях живорождения ключевую роль в развитии структур беременности и эмбрионов играют женские гормоны. Однако, как показала работа Мейера и его команды, мужская беременность у морских коньков интересным образом обходится без этих типичных женских гормонов.
«Наше исследование подтверждает, что центральную роль в развитии эмбрионов в выводковой сумке играют андрогены — мужские половые гормоны, — а не женские гормоны», — объясняет Мейер.
Андрогены вызывают утолщение и васкуляризацию кожного слоя брюха, создавая структуру, похожую на плаценту млекопитающих. Это интересное отличие от развития в женской матке млекопитающих, включая человека, которое обычно управляется женскими гормонами.
Изучение иммунной системы также дало неожиданные результаты. Для живорождения критически важно, чтобы иммунная система матери (или в данном случае самца морского конька) не идентифицировала эмбрионы как чужеродные тела и не отторгала их. Обычно эту задачу выполняет ген foxp3 как ключевой ген иммунной системы у многих живородящих видов.
Однако, к удивлению ученых, именно этот ген отсутствует у морских коньков. Тем не менее, аутоиммунной реакции, при которой тело самца отторгало бы эмбрионы, не происходит.
Мейер предполагает, что морские коньки используют необычную стратегию иммунной толерантности, в которой снова могут играть решающую роль мужские гормоны: «Андрогены часто обладают иммуносупрессивным эффектом, то есть подавляют иммунный ответ. Это может способствовать этой уникальной иммунной толерантности».
Эволюционные выводы
Генетические и клеточные особенности выводковых сумок дают увлекательное представление об эволюционном развитии от видов, откладывающих икру, к видам с живорождением.
«Разные эволюционные стадии внутри семейства Syngnathidae делают морских коньков исключительной моделью для изучения эволюции от яйцекладущих предков к живородящему размножению».
Предположительно, первым шагом стало развитие «липкой икры», которая прикреплялась к телу самцов, у которых тогда еще не было выводковых сумок. Следующим эволюционным шагом стало развитие самих сумок для удержания, защиты и снабжения икры питательными веществами.
«Благодаря нашему исследованию мы теперь лучше понимаем генетические, молекулярные и клеточные механизмы, лежащие в основе этого замечательного эволюционного эксперимента: беременность независимо развилась у самок млекопитающих и самцов морских коньков, но разными генетическими и гормональными путями», — заключает Мейер.