Эволюция сперматогенеза у млекопитающих: поздние стадии развиваются быстрее

Международная команда исследователей под руководством профессора Хенрика Кессмана из Центра молекулярной биологии Гейдельбергского университета провела биоинформатический анализ, показавший, что эволюционное давление, направленное на гарантированное продолжение рода, привело к быстрой эволюции семенников у млекопитающих. Особенно ускоренной эволюции подверглись поздние стадии формирования сперматозоидов.

Целью исследования было впервые расшифровать генетическую регуляцию сперматогенеза у различных видов млекопитающих, включая человека, и проследить его эволюцию. Параллельно учёные выявили гены, активность которых оставалась неизменной в ходе эволюции.

Сперматогенез в семенниках контролируется сложным взаимодействием активности различных генов (экспрессии генов). До сих пор понимание этих генетических программ в основном ограничивалось изучением мыши. "Следовательно, было мало известно о генетических основах, которые составляют большие различия в сперматогенезе у разных млекопитающих, как с точки зрения количества образующихся сперматозоидов, так и их свойств", — объясняет аспирант Ноэ Мбенге.

Учёным удалось определить экспрессию всех генов на уровне отдельных клеток на протяжении всего сперматогенеза у десяти различных млекопитающих, включая человека и человекообразных обезьян, с использованием современных технологий одноклеточной геномики.

Биоинформатические сравнения выявили временной паттерн: генетические программы на ранних стадиях сперматогенеза очень похожи у всех млекопитающих, а на поздних стадиях сильно различаются. "Быстрая эволюция семенника является результатом больших различий в клетках во время позднего сперматогенеза", — говорит доктор Флоран Мюра.

Также были обнаружены гены с консервативной активностью, регулирующие фундаментальные процессы формирования сперматозоидов, общие для всех млекопитающих. Эти данные могут быть полезны для исследования нарушений фертильности у мужчин.

Впервые на основе этих данных учёные смогли различить сперматозоиды, несущие X- или Y-хромосому, и изучить экспрессию генов на половых хромосомах. Оказалось, что у всех млекопитающих экспрессия генов на половых хромосомах подавляется во время мейотического деления. Этот механизм, вероятно, фундаментален для предотвращения нежелательного генетического обмена между X- и Y-хромосомами в мейозе.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.