Тайна зеленой черепахи: высокая температура делает черепах самками

  • 409
  • 1,0
  • 0
  • 1
Добавить в избранное

Мальчик или девочка? Ответ может зависеть от многих факторов — генетических или внешней среды. Например, у большинства рептилий пол зависит от температуры инкубации яиц. Такой способ определения пола называется температурозависимым. Появившиеся в новостях сообщения о том, что из-за глобального потепления почти вся популяция зеленых морских черепах Большого Барьерного рифа состоит из самок, заставили нас вспомнить молекулярные основы температурозависимого определения пола и объяснить, почему резкие изменения климата угрожают и другим видам рептилий.

«Плохо дело: 99% молодых зеленых черепах, рожденных на пляжах вблизи Большого Барьерного рифа, — самки, и с каждым годом этот перевес усугубляется. Всему виной глобальное потепление. Ученые бьют тревогу», — статьи с подобным содержанием вы уже видели [1], [2], если читаете новости.

На самом деле, для этого вида черепах преобладание самок характерно. Соотношение, при котором на одного самца приходится три-четыре самки, нормально — зеленые черепахи способны размножаться и при таком перевесе. Подобное соотношение сейчас можно обнаружить, если рассматривать популяцию черепах в целом. Но если разбить ее на группы соответственно области обитания, можно заметить, что в более прохладной южной части Большого Барьерного рифа около 67% новорожденных зеленых черепах — самки, тогда как в северной части на 116 женских особей приходится всего один самец. Среди взрослых черепах в том же регионе самок меньше — 86%. Это говорит о том, что доля самок в местной популяции с годами увеличивается [3].

Зеленые черепахи — не единственный вид, который может лишиться самцов из-за глобального потепления. Дело в том, что пол зародыша зеленой черепахи, как и многих других рептилий, регулируется температурой инкубации яиц, а не половыми хромосомами, коих у таких животных просто нет. В англоязычной литературе этот феномен обозначается аббревиатурой TDS (temperature-dependent sex determination), а в русскоязычной он известен как температурозависимое определение пола [4].

Когда в местах откладывания яиц температура превысила 29 °С, в популяции зеленых черепах начали заметно превалировать женские особи, при повышении температуры еще на один градус в популяции останутся только самки. Интересная закономерность, не так ли? Ведь мы привыкли к тому, что соотношение полов у млекопитающих (регулируемое половыми хромосомами) примерно 1:1, при TDS же добиться равенства полов вне лаборатории практически невозможно. Стόит климату измениться всего на несколько градусов, и популяции грозит вымирание.

TDS эволюционно древнее, чем хромосомный способ определения пола, и многие рептилии до сих пор им пользуются. Впрочем, есть версия, что именно температурозависимый способ формирования пола послужил причиной вымирания динозавров при радикальных изменениях климата [5].

Молекулярные механизмы температурозависимого определения пола не до конца изучены, но кое-что о них известно.

Прежде всего стόит упомянуть фермент ароматазу, или эстрогенсинт(ет)азу. Она преобразует мужские гормоны (андрогены) в женские (эстрогены) путем ароматизации — отщепления метильной группы и превращения кольца в ароматическое (рис. 1). То, что она принимает активное участие в развитии всех животных с TDS, было известно достаточно давно, но вот выявить конкретный температурозависимый переключатель пола с мужского на женский оказалось нелегко.

Работа фермента ароматазы

Рисунок 1. Фермент ароматаза превращает мужской гормон тестостерон в женский эстрадиол.

Известно, что пол формируется в течение температурочувствительного периода, длящегося, например, у крокодилов, всего несколько дней во втором триместре развития яйца. А переключателем, скорее всего, служит метилирование/деметилирование определенных участков ДНК [6–8].

В 2016 году стало известно, что изменения температуры влияют на метилирование ДНК и модификацию гистонов гена гонадной ароматазы (Cyp19a1) зародышей красноухой пресноводной черепахи [6]. Повышение температуры эмбрионов с «мужской» до «женской» вызывало увеличение синтеза мРНК ароматазы, и наоборот.

Уровень метилирования CpG промоторов ароматазы был высоким в начале температурочувствительного периода (70–90%) и снижался, если яйца инкубировали при температуре развития самок либо нагревали с температуры формирования мужских особей (ТФМ) до температуры формирования женских (ТФЖ). Между увеличением синтеза ароматазы и метилированием промотора наблюдалась обратная корреляция.

При ТФЖ деметилирование было наиболее активным на CpG-островках в начале температурозависимого периода и далее распространялось по гену по мере развития гонады. Кроме того, в промоторной области наблюдались канонические маркеры активации транскрипции (H3K4me3 и РНК-полимераза II). Иными словами, ученым удалось показать, что повышение температуры способствовало «снятию заглушки» с гена ароматазы и началу его считывания. Скорее всего, это первичный процесс, запускающий развитие яичников.

Ген Dmrt1 (doublesex and mab-3-related transcription factor 1) — еще один возможный участник TDS. Опуская подробности, упомянем лишь, что этот древний ген важен для формирования пола мух и нематод, служит ключевым фактором определения пола у цыплят и необходим для формирования клеток Сертоли семенников млекопитающих — так называются клетки-няньки, необходимые для развития сперматозоидов. Самцы мышей, у которых этот ген отключали, оказывались бесплодными. В работе [9] было показано, что Dmrt1 чувствителен к изменениям температуры в TDS. Экспрессия Dmrt1 повышалась у эмбрионов красноухой черепахи, инкубируемых при ТФЖ, но обработанных ингибитором ароматазы (что провоцировало развитие мужских особей).

На данный момент остается неясным:

  • какие генетические компоненты ответственны за запуск развития тестикул или яичников;
  • как физический сигнал о температуре превращается в биологический.

Возможно, температурозависимый способ определения пола у рептилий как-то связан с тем, что более высокая температура способствует ускорению роста. Таким образом, у ящериц и черепах, самки которых крупнее самцов, ТФЖ выше ТФМ. Но вот у крокодилов самцы крупнее самок, при этом для формирования самцов необходим конкретный температурный диапазон, выше и ниже которого развиваются самки. Остается еще много непонятного, но, по крайней мере, установлены два главных триггера: деметилирование гена ароматазы, ответственного за развитие самок, и изменение активности гена Dmrt1, связанного с развитием самцов.

Дополнительную информацию по вопросам пола можно найти в статьях на «Биомолекуле» [10–12].

Литература

  1. Ученые выяснили, почему 99% черепах Большого Барьерного рифа — самки. (2018). РИА НАУКА;
  2. Баринова А. (2018). Зеленые черепахи остались без самцов. National Geographic;
  3. Michael P. Jensen, Camryn D. Allen, Tomoharu Eguchi, Ian P. Bell, Erin L. LaCasella, et. al.. (2018). Environmental Warming and Feminization of One of the Largest Sea Turtle Populations in the World. Current Biology. 28, 154-159.e4;
  4. Могут ли условия жизни птиц влиять на пол потомства?;
  5. David Miller, Jonathan Summers, Sherman Silber. (2004). Environmental versus genetic sex determination: a possible factor in dinosaur extinction?. Fertility and Sterility. 81, 954-964;
  6. Yuiko Matsumoto, Brette Hannigan, David Crews. (2016). Temperature Shift Alters DNA Methylation and Histone Modification Patterns in Gonadal Aromatase (cyp19a1) Gene in Species with Temperature-Dependent Sex Determination. PLoS ONE. 11, e0167362;
  7. Daniela Venegas, Alejandro Marmolejo-Valencia, Christian Valdes-Quezada, Tzipe Govenzensky, Félix Recillas-Targa, Horacio Merchant-Larios. (2016). Dimorphic DNA methylation during temperature-dependent sex determination in the sea turtle Lepidochelys olivacea. General and Comparative Endocrinology. 236, 35-41;
  8. Эпигеном: параллельная реальность внутри клетки;
  9. Chutian Ge, Jian Ye, Haiyan Zhang, Yi Zhang, Wei Sun, et. al.. (2017). Dmrt1 induces the male pathway in a turtle species with temperature-dependent sex determination. Development. 144, 2222-2233;
  10. Что такое пол?;
  11. Мальчик или девочка;
  12. Мальчики налево, девочки направо... А остальные?.

Комментарии