Самцы мух — не миниатюрные самки: Клеточно-специфичный, неоднородный рост определяет половые различия в размере у дрозофил

Половые различия в размере широко распространены в биологии, но конкретные механизмы часто остаются неясными. Мы задали конкретный вопрос на классическом модельном организме: когда самки мух крупнее самцов, достигается ли это за счет добавления большего числа клеток в органах, увеличения размера уже существующих клеток или комбинации обеих стратегий — и одинаково ли это для всего тела?

Используя данные single-nucleus по целому организму и целевые эксперименты, мы показали, что ответ сложен: полоспецифичные пропорции тела возникают из органо-специфичной аллометрии, а не из единого для всех правила.

Как мы подошли к вопросу

Мы исследовали клеточные основы полового диморфизма в составе международной команды, включавшей Национальные институты здоровья (NIH, США) и сотрудников из таких институтов, как Sanford Burnham Prebys, Европейская лаборатория молекулярной биологии (EMBL) и Университет Британской Колумбии. Результаты представлены на препринт-сервере bioRxiv.

Мы проанализировали Fly Cell Atlas — комплексный, современный single-nucleus атлас, опубликованный в Science, который охватывает ~580 000 ядер из 15 тканей взрослых особей с учетом пола, а также целой головы и тела без головы. Это позволило сравнить клеточные типы самцов и самок во всем организме. Затем мы экспериментально проверили предсказания, чтобы подтвердить, отражают ли различия изменения в количестве клеток или их размере.

Что мы обнаружили

В основе нашего открытия лежит аллометрия — явление, при котором части организма масштабируются с разной скоростью относительно общего размера. Изометрия означала бы равномерное масштабирование. Мы обнаружили, что различия в размере возникают из-за специфичных клеточных стратегий: одни органы увеличиваются за счет добавления большего числа клеток, другие — за счет увеличения существующих, и эти стратегии различаются у самцов и самок.

• Летательные мышцы, необходимые для воздушной акробатики. У самок эти мышцы крупнее, потому что во время развития у них изначально больше клеток-предшественников — миобластов. Самцы, напротив, обходятся меньшим их числом, что приводит к меньшим мышцам в целом. Эта стратегия, основанная на количестве клеток, демонстрирует эффективный способ построения более крупных структур.

• Сердце, которое качает гемолимфу (аналог крови у мух). Неожиданно оказалось, что у обоих полов одинаковое количество кардиомиоцитов — мышечных клеток сердца. Тем не менее, у самок орган в итоге крупнее, потому что его масштабирование определяется размером клеток или другими факторами, такими как внеклеточный матрикс. Этот результат ставит под сомнение предположение, что "больше" всегда означает "больше клеток".

• Жировое тело, которое у мух функционирует и как печень, и как жировое депо. Жировые клетки самок имеют увеличенный размер, что связано с более высокой экспрессией мРНК, кодирующих рибосомные белки — молекулярных машин, усиливающих производство белка для поддержки роста.

В отличие от самок, самцы компенсируют это большим количеством клеток меньшего размера. Этот полоспецифичный баланс между размером и числом клеток не только объясняет масштабирование органов, но и связан с более широкими метаболическими различиями, потенциально влияя на всё — от расхода энергии до продолжительности жизни.

Почему это важно

Эта работа является первой, в которой картированы аллометрические стратегии на уровне клеточных типов в нескольких органах Drosophila. Комбинируя транскриптомные данные с экспериментальной валидацией, мы показали, что половые различия в анатомии и физиологии — не случайные отклонения, а запрограммированные в развитии "дизайнерские решения".

Наши результаты предоставляют основу для разбора полового диморфизма размера на проверяемые клеточные компоненты, которые можно изучать ген за геном и ткань за тканью. Поскольку Fly Cell Atlas предлагает референс для целого организма, эти правила теперь можно исследовать в других системах, где половой диморфизм размера распространен (включая млекопитающих), чтобы выяснить, возникают ли полоспецифичные черты из-за программ пролиферации, путей роста или того и другого.

Что нас удивило

Мы ожидали доминирования одного механизма. Вместо этого мы обнаружили органо-специфичные стратегии — даже в пределах одной метаболической ткани, такой как жировое тело. Наблюдение, что жировое тело самок увеличивает клетки (с повышенной экспрессией рибосомных генов), в то время как у самок оно увеличивает количество клеток, предполагает, что различные транскрипционные сети и узлы контроля роста настраиваются в зависимости от пола для каждой ткани, несмотря на общий геном.