МЕХАНИЗМ НЕСОВМЕСТИМОСТИ

Цитологический механизм несовместимости изучался у С. pipiens, D. simulans, N. vitripennis. У D. simulans и N. vitripennis выявлены различия в поведении хромосом в первом митотическом делении у инфицированных и неинфицированных особей [14, 53, 54, 82, 95].

В норме у D. simulans после проникновения спермия в яйцо происходит деконденсация хроматина спермия и замещение спермоспецифичных гистоноподобных белков на гистоны яйцеклетки, а затем - репликация хромосом и конденсация хроматина, причем конденсация материнского хроматина начинается немного раньше, чем хроматина отцовского. После конденсации хромосомы собираются в метафазной пластинке веретена деления и прикрепляются к нитям веретена, но не смешиваются в экваториальной плоскости, а одновременно вступают в анафазу как два независимых набора, смешивающихся уже во время телофазы. В несовместимых скрещиваниях во время первого митоза отцовские хромосомы не конденсируются, оставаясь бесформенной, диффузной массой, и лежат в стороне от метафазной пластинки, в то время как материнские вступают в анафазу [14]. Нарушение конденсации хроматина в первом митотическом делении происходит и у N. vitripennis [82]. Использование генетических маркеров в экспериментальных скрещиваниях показало, что впоследствии отцовские хромосомы элиминируются из оплодотворенных яиц [83]. В редких случаях гены самца все же передаются потомству [95]. Это происходит, вероятно, потому что хромосомные фрагменты могут случайным образом связываться с движущимися хромосомами самки в делящемся ядре.

События, происходящие в первом делении дробления, в конечном итоге приводят либо к гаплоидизации зародыша, либо к потере развивающимся эмбрионом части хромосом отца, т.е. к анеуплоидии. Как уже отмечалось, следствием гаплоидизации у диплоидных организмов становится гибель особей на различных стадиях эмбрионального развития. У С. pipiens гаплоидный зародыш погибает в момент, когда становятся заметны зачатки глаз, если только диплоидия не восстановится за счет партеногенеза, отмечаемого у 0.1% эмбрионов от несовместимых скрещиваний [34]. Появляющиеся в результате партеногенеза комары будут самками, поскольку гомозиготным полом у С. pipiens является женский пол (система детерминации пола XX / XY). У D. simulans эмбрионы останавливаются в развитии на стадии первого интравителлинового митоза, стадии синцитиальной бластодермы и стадии, предшествующей вылуплению [15].

У гаплодиплоидов из гаплоидных яиц развиваются особи мужского пола, а вторичное соотношение полов потомства оказывается сильно сдвинутым в сторону самцов. В этом случае не отмечается, или почти не отмечается, уменьшения численности взрослого потомства, поскольку личинки вылупляются из всех или из большинства отложенных яиц. Тип несовместимости, при котором не наблюдается снижения численности потомства в несовместимых скрещиваниях, называется конверсионным и обозначается как MD (male development); он описан у осы N. vitripennis [13]. Помимо конверсии существует и другой тип цитоплазматической несовместимости, обозначаемый как FM (female mortality). Несовместимость этого типа является следствием анеуплоидии эмбрионов. В случае несовместимости по типу FM численность потомства от несовместимых скрещиваний вследствие высокой эмбриональной смертности сильно уменьшена по сравнению с числом отложенных яиц. Вторичное соотношение полов потомства при несовместимости по типу FM так же, как и в случае конверсии, сдвинуто в сторону самцов, поскольку самцы появляются из той небольшой части яиц, в которых хромосомный набор отца был полностью элиминирован. Несовместимость по типу FM описана у клещей Tetranychus urticae и Tetranychus turkestani и ос Nasonia giraulti, Nasonia longicornis, L. heteronoma, Trichopria drosophilae [7, 11, 112]. У клещей рода Tetranychus и осы L. heteronoma найдены естественные вариации типов несовместимости от MD до FM [77, 111]. На молекулярном уровне различия в типах несовместимости могут быть связаны с тонкими изменениями в активности белков, включенных в процессы созревания мужского пронуклеуса, таких как белки комплекса конденсина, топоизомераза II, гистоны HI и НЗ [52, 80].

Впервые несовместимость по типу FM (женской смертности) описана у клещей p. Tetranychus в работе [11], авторы которой связывали ее с особенностями структуры хромосом клещей, лишенных центромеры [11]. Предполагалось, что после фрагментации мужского хроматина части отцовских хромосом могут прикрепляться к нитям веретена деления и мигрировать вместе с материнскими хромосомами в дочерние ядра, вызывая анеуплоидию и эмбриональную смертность. Однако позже FM-несовместимость была описана у паразитических ос N. giraultu и N. longicornis, обладающих хромосомами с настоящими центромерами. В серии экспериментов, выполненных на трех сибсовых видах ос p. Nasonia - N. vitripennis, N. giraultu и N. longicornis было показано, что тип несовместимости MD или FM детерминируется ядерным генотипом, и что "конверсионные гены" N. vitripennis в гибридных самках являются рецессивными, а различия в уровне экспрессии фенотипа FM между видами N. giraultu и N. longicornis связаны скорее с вариациями штаммов вольбахии, чем с генотипом хозяина. На основании результатов эксперимента и данных о распространенности фенотипов MD и FM авторы [7] предположили, что смертность в несовместимых скрещиваниях у гаплодиплоидных видов следует считать нормой, а конверсионный фенотип N. vitripennis скорее исключением, чем правилом.

Молекулярный механизм взаимодействия Wolbachia с хромосомами хозяина не выяснен. В зрелой сперме вольбахия не найдена [121], поэтому бактерии должны действовать на созревающую сперму, которая затем попадет в яйцо во время оплодотворения. Подобный "импринтинг" спермы возможен или за счет присоединения к ней секретируемых вольбахией продуктов, приводящих к нарушению конденсации хроматина, или же за счет модификации, либо устранения нормальных составляющих спермы в процессе созревания. Мишенью для вольбахии могут быть белки, попадающие в зиготу из сперматозоида. Это прежде всего отцовская центриоль, которая, сливаясь с материнской, образует центр формирования микротрубочек зиготы. Микротрубочки продуцируют впоследствии веретено деления, правильное и точное функционирование которого обеспечивает сегрегацию хромосом в митозе. Цитологические исследования "несовместимых" яиц D. simulans выявляют не только ненормальное поведение отцовских хромосом, но и неправильное построение микротрубочек, регулируемое центриолью. Помимо отцовской центриоли в зиготу у многих видов Drosophila попадает жгутик сперматозоида, который также может оказывать влияние на раннее развитие эмбриона.

В яйцах, инфицированных той же, что и сперматогонии, линией бактерии, должно происходить "сопоставление" совместимости яйца и спермия, что предполагает существование синтезируемых вольбахией компонентов, которые прямо или косвенно "спасали" бы измененную сперму. Веррен [116] описал в генетических терминах механизм модификации-спасения mod-resc (modification-rescue). Бактерия с генотипом mod+resc+ в отличие от mod-resc- может вызывать цитоплазматическую несовместимость, модифицируя хромосомы сперматозоида, и "спасать" их в яйце.

С учетом существования множественных аллелей локусов, определяющих компоненты модификации-спасения, этот механизм объясняет как возникновение двусторонней несовместимости между линиями хозяина, каждая из которых инфицирована различными вариантами Wolbachia, так и одностороннюю несовместимость между линиями, одна из которых инфицирована одним штаммом бактерии, а другая биинфицирована [8, 78, 92]. Найдена вольбахия с генотипом mod-resc+ [72]. Сперма самцов из инфицированных такой бактерией линий совместима с неинфицированными яйцами, что соответствует генотипу mod-, при этом яйца самок из этих линий совместимы со сперматозоидами самцов из линий с цитоплазматическай несовместимостью (генотип resc+). Существование mod-resc+ - Wolbachia заставляет по другому оценивать генотип нейтральных линий симбионта, которые на самом деле могут быть mod-resc+, а также доказывает, что функции модификации и спасения могут оказаться самостоятельными в реализации цитоплазматической несовместимости.

Концепция, предложенная Верреном [116-118], не накладывает каких-либо ограничений на механизм модификации и спасения. Три биохимические модели - модель "ключ-замок", модель "титрование-восстановление" и модель "замедленное движение" были предложены для объяснения функций mod и resc.

Модель "ключ-замок" обсуждалась как в экспериментальных, так и в теоретических работах [13, 116]. Согласно предложенной гипотезе, "замок", образуемый бактерией, связывается с компонентами отцовского ядра (функция mod) (рис. 2А, Б). Эмбриональная смертность в скрещиваниях между инфицированными самцами и неинфицированными самками обусловлена неспособностью отцовских хромосом к правильным действиям вследствие того, что они "закрыты на замок" (рис. 2В, Г). В инфицированных вольбахией яйцах есть бактериальный "ключ", который "открывает" замок (функция resc) и таким образом восстанавливает у отцовских хромосом способность к "правильному" поведению (рис. 2Д, Е). В этом случае митоз проходит нормально. Компоненты "замка" всегда проникают в яйцо, где происходит их непосредственный физический контакт с компонентами "ключа". Согласно модели "ключ-замок" функции mod и resc могут быть детерминированы различными генами и, следовательно, иметь различный молекулярный механизм.

Рис. 2. Модель "ключ-замок". Сперматогенез у инфицированных самцов (А, Б); несовместимое скрещивание между инфицированным самцом и неинфицированной самкой (В, Г); совместимые скрещивания между двумя инфицированными особями (Д, Е) (по [79]). Объяснение - см. текст.

Модель "титрование-восстановление" рассмотрена в работе [53], авторы которой получили моноклональные антитела на частично очищенный экстракт Wolbachia. В инфицированных яйцах D. simulans эти антитела связывались с вольбахией и не связывались с конденсированной хромосомной ДНК хозяина. В неинфицированных яйцах некоторые антитела давали слабый сигнал с конденсированными хромосомами хозяина. Такой же сигнал наблюдался и на конденсированной хромосоме в сперматоцитах D. simulans; т.е. мишенью для антител могли быть гистоноподобные белки хозяина. Выполненные эксперименты позволили предположить, что Wolbachia способна смещать белки (функция mod), обычно связанные с хромосомами хозяина. Такое "титрование" может происходить в инфицированных яйцах перед оплодотворением, после оплодотворения Wolbachia возвращает белки на хромосомы (функция resc). Вероятно, функции mod и resc могут быть детерминированы геном, или генами, один из которых кодирует компонент титрования, а другой - ингибирует титрование.

Модель "замедленное движение" основана на том, что в зиготах при несовместимых скрещиваниях дрозофилы отцовские хромосомы могут конденсироваться и образовывать анафазоподобные структуры во время первого митоза [14]. Появление анафазоподобных структур свидетельствует, что при модификации значительно задерживается (но полностью не блокируется) вступление в митоз. Наблюдения за поведением хромосом позволили предположить, что Wolbachia образует компонент, который связывается с хромосомами отца и замедляет их движение во время первого митоза, приводя к асинхронности поведения отцовских и материнских хромосом. При инфицировании яиц вольбахией происходит модификация материнских и отцовских хромосом и восстановление синхронности поведения отцовской и материнской составляющих. Оригинальность данной модели в том, что функции mod и resc могут быть детерминированы одним и тем же бактериальным геном(ами) и иметь одинаковый молекулярный механизм.

Из трех предложенных исследователями биохимических моделей, объясняющих механизм возникновения цитоплазматической несовместимости, наиболее популярной оказывается модель "ключ-замок", поскольку она объясняет все известные на сегодняшний день наблюдения. Для того, чтобы принять модели "титрование-восстановление" и "замедленное движение" необходимо найти объяснение для фенотипа mod-resc+, связанного с секс-специфической экспрессией бактериальных генов.

ФЕМИНИЗАЦИЯ

Развитие признаков пола, как и большинства других признаков организма, определяется генотипом и факторами внешней среды. У животных половая дифференциация затрагивает все уровни организации особи, а сам процесс дифференциации достаточно сложен, поскольку развивающиеся организмы исходно бисексуальны. Первичная бисексуальность организмов позволяет изменять направление их развития - переопределять пол в онтогенезе. Переопределение пола в естественных условиях может являться либо реализацией генетической программы организма, либо быть следствием тех или иных воздействий или изменений, разрушающих цепь последовательных процессов, определяющих развитие признаков пола: мутаций или факторов внешней среды. Изменения направления дифференциации пола - маскулинизация либо феминизация - известны как у беспозвоночных, так и у позвоночных животных. Естественная феминизация функциональных самцов описана у морского гермафродита - рыбы Acanthopagrus schlegeli Bleeker (цит. по [56]). У моллюсков рода Crepidula известна феминизация под влиянием гормонов, выделяемых особями колонии, находящимися в женской фазе развития. Переопределение пола под влиянием цитоплазматических микроорганизмов, по всей видимости, можно считать специфическим случаем переопределения пола под влиянием факторов внешней среды.

Феминизирующие симбионты - бактерии и простейшие - найдены у морских и наземных ракообразных Amphipoda и Isopoda, у паукообразных из отряда Acari, насекомых из отряда Lepidoptera. Феминизация морских Amphipoda из p.p. Gammarus и Orchestia происходит под влиянием простейших - микроспоридий и парамиксидий [20, 98]. Феминизирующий симбионт гаплоидного клеща Brevipalpus phoenicis идентифицирован как бактерия группы Cytophaga-Ravobacterium-Bacteroides [114]. Феминизация наземных ракообразных из отряда Isopoda и насекомых из отряда Lepidoptera детерминируется Wolbachia pipientis [26, 48,49, 94].

Впервые феминизация, происходящая под влиянием вольбахии, описана в работах французских авторов [35-47, 57-63; 67-69, 84-94]. Наиболее детально это явление исследовано у ракообразных - представителя p. Armadillidium A. vulgare (Isopoda: Armadillidae), генетической основой детерминации пола которого является женская гетерогамия (cJZZ, 9WZ) [36]. Процесс феминизации под влиянием Wolbachia у чешуекрылых (молей Ostrinia furnacalis [48], Ostrinia scapulalis [49] и бабочки Eurema hecabe [26]) еще практически не изучен.

В ранних генетических исследованиях A. vulgare было показано, что появление у некоторых самок этого вида потомства с сильным отклонением во вторичном соотношении полов в сторону самок наследуется по материнской линии и не связано с дифференциальной смертностью особей мужского пола [28, 29, 109]. Подобное же отклонение в соотношении полов потомства появлялось у генетических WZ самок, если им переносили ткани "телигеничных" самок [59]. Агент -эндоцитоплазматическая бактерия, живущая в клетках некоторых особей женского пола и не найденная в самцах - был идентифицирован по морфологическим признакам и характеристикам жизненного цикла, а позже и молекулярно-биологическими методами как бактерия p. Wolbachia [68, 89, 94]. Элиминация бактерии под действием температуры 30°С у очень молодых и старых самок приводила к появлению мужского фенотипа у первых и никак не влияла на женский фенотип вторых, поскольку половые ткани старых самок полностью дифференцированы [42]. При этом у старых самок вторичное соотношение полов в потомстве, полученном после элиминации бактерий, сильно отклонялось в сторону самцов. В потомстве неосамок (генетических самцов/фенотипических самок), выращенных при температуре 30°С и, следовательно, не имеющих бактерий, обнаруживались только самцы. Появление самцов послужило доказательством атипичного генотипа неосамок. Их женский фенотип был признан следствием бактерионосительства, а сами неосамки - генетическими самцами (ZZ). В популяциях A. vulgare, зараженных вольбахией, генетическими самцами (ZZ) оказываются все обнаруженные инфицированные самки [41,47].

Феминизация самцов у A. vulgare может быть неполной; в таком случае появляются особи, имеющие фенотипы интерсексов [57, 63]. Данные фенотипы варьируют от функциональных самок с незначительными мужскими вторичными половыми признаками до полностью стерильных особей, имеющих вторичные половые признаки обоих полов и нефункционирующие гермафродитные половые железы. Изменчивость фенотипов интерсексов связывается с недостаточной плотностью бактериальной популяции в отдельных особях [89], либо с отсутствием точной синхронизации между феминизирующей активностью симбионта и временем детерминации половых тканей хозяина [86].

Фенотипы интерсексов не были обнаружены при исследовании феминизации у моли О. furnacalis и молодые самки, "вылеченные" от бактерии тетрациклином, никогда не меняли свой женский фенотип, хотя у них и появлялось потомство, состоящее исключительно из самцов [50].

Различия фенотипических признаков феминизации, по всей видимости, являются отражением различий в процессах детерминации и дифференциации пола у A. vulgare и О. furnacalis.

МЕХАНИЗМ ФЕМИНИЗАЦИИ

Механизм феминизации был изучен у A. vulgare. По мнению ряда исследователей, самцы и самки этого вида имеют одинаковый генотип, за исключением женской W-хромосомы, которая является гомологичной мужской Z-хромосоме, но несущей дополнительные "женские" гены, супрессирующие экспрессию "мужского(их)" гена(ов) [45, 63, 85]. Половая дифференциация по мужскому типу у A. vulgare происходит под влиянием гормона андрогенной железы, сигнал к началу развития которой может быть получен от "мужских" генов, расположенных на мужской Z-хромосоме. Гормон андрогенной железы - глико-протеин с молекулярной массой 17-18 кДа [69], с достаточно высоким уровнем видоспецифичности [22] определяет половую дифференциацию по мужскому типу у амфипод и изопод после третьей и четвертой линьки личинок соответственно [17, 84]. В отсутствие гормона происходит автодифференциация женского фенотипа и женской физиологии [16]. В случае женской гетерогамии женский ген, по-видимому, ингибирует экспрессию мужского гена, приводя к женской дифференциации.

Для того, чтобы произошла феминизация генетических самцов, симбиотическая бактерия должна блокировать развитие андрогенной железы подобно тому, как это делает(ют) женский(е) ген(ы), расположенные на W-хромосоме генетических самок. Действительно, андрогенная железа никогда не дифференцируется у зараженных Wolbachia ZZ-неосамок, так же как и у "настоящих" хромосомных самок [63]. В этом смысле феминизация ракообразных под влиянием вольбахии - это скорее ингибирование развития мужского фенотипа, чем индукция развития женского.

Точный молекулярный механизм феминизации неизвестен. Мишенью для белков вольбахии может быть область промотора гена, кодирующего андрогенный гормон, или же область рецепторов андрогенного гормона или их сигнальные последовательности [67]. Фенотипический эффект - появление женского фенотипа - у хромосомных и цитоплазматических детерминантов оказывается одинаковым, хотя те и другие могут действовать на различные точки каскада экспрессии генов.

Помимо того, что вольбахия препятствует каким-то образом дифференциации андрогенной железы, у бактерии есть и вторая феминизирующая особенность - так называемый "физиологический" эффект или "позднее" действие. Позднее действие вольбахии очень тканеспецифично и направлено на механизм контроля за ростом андрогенной железы. "Физиологический" эффект заметен в случаях, когда бактерия переносится неинфицированным взрослым самцам, андрогенная железа которых дифференцирована и функциональна. После пересадки вольбахии самцы-реципиенты приобретают фенотип интерсексов; бактерия не влияет непосредственно на андрогенный гормон, поскольку он сохраняет активность. Вероятно, вольбахия устраняет ингибирующий контроль нейропептидов, что приводит к сильной гипертрофии андрогенной железы, которая тем не менее остается функциональной. Скорее всего бактериальные продукты и гормон андрогенной железы конкурируют за рецепторы гормона в тканях хозяина [39, 67].

У насекомых детерминация и, соответственно, механизм дифференциации пола принципиально отличается от такового у ракообразных, прежде всего потому, что пол у них дифференцируется на эмбриональной стадии и развитие признаков пола не связано с диффузными субстанциями, такими, как половые гормоны, действующими на поздних стадиях преимагинального развития [96]. Очевидно, пол у О. furnacalis детерминируется на эмбриональной стадии развития, поскольку вылеченные тетрациклином личинки развиваются в самок, поэтому Wolbachia должна действовать на эмбрионы. Молекулярный механизм действия вольбахии неизвестен.

Wolbachia, влияющие на дифференциацию пола у ракообразных и некоторых насекомых, филогенетически не родственны. Сравнение нуклеотидных последовательностей гена wsp Wolbachia, вызывающих феминизацию у A. vulgare и О. furnacalis, позволяет сделать вывод о независимом эволюционном происхождении этих линий и отсутствии рекомбинации между ними.

ПАРТЕНОГЕНЕЗ

Естественный партеногенез - возникновение вполне развитого организма из неоплодотворенной яйцеклетки - обычен у членистоногих, хотя встречается у всех типов беспозвоночных и у некоторых позвоночных животных. По способности давать посредством партеногенеза самцов и самок различают:

- арренотокию, при которой из неоплодотворенных яиц развиваются только самцы;

- телитокию, при которой из неоплодотворенных яиц развиваются только самки;

- дейтеротокию, при которой из неоплодотворенных яиц развиваются особи обоего пола.

В тех случаях, когда популяции партеногенетического вида состоят исключительно из самок, одно из главных биологических преимуществ партеногенеза заключается в ускорении темпа размножения и быстром увеличении численности популяции, поскольку все особи популяции способны оставить потомство.

Телитокия, детерминированная цитоплазматическими бактериями, известна у клещей, перепончатокрылых, трипсов и коллембол. У гапло-диплоидных ос Encarsia pergadiella (Hymenoptera: Aphelinidae) партеногенез возникает под влиянием бактерии, относящейся к группе Cytophaga-Flexibacter-Bacteroid (CFB) [122]; у гаплодиплоидов клещей p. Briobia (Arachnida: Acari), трипсов Franklinothrips vespipornis (Insecta: Thysanoptera), различных перепончатокрылых и диплодиплоидного вида коллембол - Folsomia Candida (Insecta: Entognata) - партеногенез вызывается Wolbachia pipientis[4, 107, 112].

Первые доказательства связи телитокии с цитоплазматическими элементами были получены в экспериментах по замене ядерного генома арренотокичных линий на ядерный геном телитокичных линий у паразитической осы Trichogramma pretiosum [103]. Сохранение арренотокии у самок из арренотокичных линий после замены 99.6% их ядерного генома на геном самок телитокичных линий заставило предположить наличие влияния на репродукцию цитоплазматических элементов. Это предположение было подтверждено восстановлением нормальной репродукции у телитокичных самок после "лечения" антибиотиками и под действием высокой (выше 30°С) температуры. После применения антибиотиков виргинные самки ос переходили к арренотокии. В дальнейшем присутствие бактерии в клетках членистоногих было выявлено микроскопическими методами, а окончательный филогенетический статус симбионта был установлен после анализа последовательности гена 16S рРНК [102,104,108]. Восстановление нормального полового размножения было показано несколько позже и у диплодиплоидных коллембол, у которых после лечения антибиотиками появлялось двуполое потомство [108].

Поиск по сайту: