Предлагается новая гипотеза, объясняющая механизм контроля полового соотношения у птиц. Она основана на неспособности экструзии полярного тельца в ходе первого деления мейоза, за которым следует оплодотворение нескольких гаплоидных клеток благодаря полиспермии, с последующей конкуренцией между Z- и W-несущими клетками в химерном организме. Представлены данные в поддержку предлагаемого механизма, показано, что он объясняет все случаи смещения полового соотношения у птиц, описанные в литературе до настоящего времени. Основные положения этой гипотезы опубликованы в начале 2013 года в издании Оксфордского университета совместно с замечательной польской исследовательницей из Ягеллонского университета Джоанной Рутковской: в журнале «Поведенческая Экология». Буду благодарен за любые отзывы и критические замечания. Для лучшего понимания материала в текст добавлены некоторые страницы моей презентации.

Проблема контроля пола потомства у птиц имеет значительное как теоретическое, так и практическое значение. Птицы, как высшие теплокровные животные являются популярной моделью для изучения возможности управления соотношением полов. Самка птиц является гетерогаметным полом, так как имеет в своем хромосомном наборе две негомологичные половые хромосомы Z и W, и поэтому производит два типа гамет. В связи с этим возможность смещения полового соотношения в данной группе животных сравнительно высока. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования, описывающие как возможность четкого предсказания полового соотношения, так и адаптивное смещение полового соотношения у будущих потомков. Например, преимущества, связанные с наличием дочерей-помощниц в гнезде, определяет возможные колебания полового соотношения у некоторых кооперативных птиц. У амадин гульда Erythrura gouldiae, при скрещивании самки с некондиционным самцом, подавляющее большинство потомства являются особями мужского пола (более 80%). Это смещение первичного полового соотношения связывают с повышением уровня кортикостерона в крови, вызванного стрессом от нежелательного спаривания. Самка домашнего амадина Carpodacus mexicanus устанавливает первичное соотношение пола потомства в зависимости от расположения яйца в кладке. И наконец, описан случай, когда из 20 последовательно отложенных яиц, вылуплялись одни только самцы, что свидетельствует о неслучайности данного события. Однако, механизм, через какой самка птиц управляет полом потомства, до сих пор остается предметом гипотез и рассуждений.

Понимание механизма управления половым соотношением у птиц представляет собой очень важный момент с точки зрения эволюционной биологии, сохранения биоразнообразия и селекционного прогресса в птицеводстве. Как будет рассмотрено далее, механизмы, которые предлагались ранее, были или откинуты как потенциально невозможные, или же остаются гипотетическими.

Целью данной статьи является предложение и обоснование нового механизма, объясняющего, каким образом самки птиц контролируют пол своего потомства. Предлагаемый механизм основан на неспособности экструзии полярного тельца (ПТ) при первом делении мейоза, с последующим множественным оплодотворением гаплоидных ядер благодаря полиспермии и конкуренцией Z- и W-несущих клеток в химерном эмбрионе. В поддержку предлагаемой гипотезы будут представлены опубликованные научные данные, и показано, что практически все наблюдавшиеся до сих пор случаи смещения полового соотношения можно объяснить, исходя из предлагаемого механизма.

1.Потенциальные механизмы смещения полового соотношения

На различных стадиях формирования яйца в теле несушки возможны несколько потенциальных механизмов, реализация которых позволит матери управлять полом своего потомства. Такие потенциальные механизмы как полоспецифическое оплодотворение или полоспецифическая эмбриональная смертность, которые исторически рассматривались в качестве объяснения наблюдающихся случаев смещения полового соотношения, предполагают неоправданные затраты питательных ресурсов и времени на производство яиц.

Они также не могут объяснить случаи, при которых несушка тонко контролирует пол своего потомства. Механизм, основанный на дифференциальном развитии фолликул, предполагает, что фолликулы, содержащие Z и W хромосому, развиваются по разному, причем в цикле яйцекладки пол потомства распределяется не случайным образом. Однако, такой механизм не может иметь место, поскольку первое деление мейоза, в ходе которого разделяются хромосомы, происходит после полного завершения развития фолликула. До недавнего времени механизм, основанный на селективной реабсорбции и овуляции фолликула рассматривался как возможное объяснение явления смещения полового соотношения у птиц. Этот механизм предполагает, что пол ооцита определяется сразу же после мейоза. В случае если ооцит имеет пол, который нежелателен в данных условиях, он реабсорбируется и заменяется другим ооцитом, имеющим желаемый пол. Такой ооцит должен был бы овулировать сразу же, без перерыва в цикле яйцекладки. В эксперименте на домашних голубях Goerlich et al. изучили данную гипотезу, но выяснилось, что самки не имеют третьего большого фолликула, который заменил бы абсорбируемый фолликул. В настоящее время общепринятым является мнение, согласно которому смещение полового соотношения потомства у птиц происходит в результате нарушения сегрегации половых хромосом в ходе мейоза.

Нарушение сегрегации половых хромосом может привести к неслучайному распределению пола потомков благодаря нескольким молекулярно-генетическим и цитологическим механизмам. Один из предложенных механизмов, который работает на молекулярном уровне заключается в том, что ярко выраженный диморфизм по размеру половых хромосом у птиц облегчает процесс определения пола потомства. Значительные вариации по степени диморфизма половых хромосом у птиц и различия даже между близкородственными видами свидетельствуют о том, что данная идея нуждается в тщательном исследовании. Более того, в некоторых случаях были обнаружены вариации по половым хромосомам внутри одного и того же вида. Остается только проверить, что особи, у которых диморфизм по половой хромосоме выражен сильнее, больше склонны к производству потомства со смещенным половым соотношением.

Другой гипотетический механизм заключается в том, что сокращение актиновых филаментов, которые управляют движением хромосом во время мейоза, находятся под влиянием материнских гормонов. Чтобы убедиться в том, что гормоны могут оказать влияние на направленность доставки Z и W хромосом в мейотической пластинке, нужно исследовать деление ядра фолликула in vivo. Насколько известно, современные методы исследований не позволяют решить данную задачу.

В последнее время проведено ряд исследований с целью изучения влияния гормонов на пол потомства во время мейотического деления гамет самки птиц. Применение высоких фармакологических доз кортикостерона за пять часов до предполагаемого времени овуляции приводило к смещению первичного полового соотношения в сторону самцов у зебровой амадины. Такая же процедура, примененная в отношении кур, приводила к смещению полового соотношения полов в сторону большего количества самцов в ответ на кортикостерон и тестостерон. Строгий контроль за синхронностью процесса яйцекладки позволяет исключить любые механизмы смещения полового соотношения, какие имели бы место до овуляции. Более того, низкое количество неоплодотворенных яиц исключает возможность того, что наблюдаемые отклонения от случайного распределения полового соотношения возникают благодаря полоспецифической эмбриональной смертности. Таким образом, вывод авторов из всех трех экспериментов заключается в том, что обработка высокими дозами гормонов повлияла на неслучайное распределение хромосом в ходе первого деления мейоза.

Этот вывод согласуется с ранее доложенными результатами по влиянию гормонов на первичное половое соотношение потомства, но, и в то же время, не приближает нас к пониманию возможного механизма, с помощью которого гормоны влияют на нарушение сегрегации половых хромосом. Важно то, что наблюдаемые смещения полового соотношения у птиц, можно также объяснить и альтернативным механизмом, который также опосредован через гормоны, и действует в ходе первого деления мейоза. В последующих главах будет представлена новая гипотеза, объясняющая возможный механизм управления половым соотношением потомства у птиц и имеющиеся экспериментальные данные в ее поддержку.

2. Новый механизм контроля полового соотношения у птиц

Главная идея новой гипотезы (Рис.) заключается в том, что стресс-факторы, с которыми сталкивается самка, могут изменить нормальный процесс первого мейотического деления путем блокирования экструзии первого ПТ. Это явление ответственно за возникновение половых химер у птиц. В результате этого первое ПТ с полным набором хромосом остается в активной цитоплазме яйца. Таким образом, в этот момент в яйце присутствуют два различных гаплоидных набора хромосом (A+W и A+Z). Второе мейотическое деление обычно следует вскоре за первым, и приводит к удвоению хромосомных наборов (два набора A+W и два набора A+Z). Овуляция происходит через час после первого мейотического деления и вскоре после овуляции происходит оплодотворение.

Рис. Модель экструзии ПТ, как возможный механизм, объясняющий смещение первичного соотношения полов у птиц.

Левая часть рисунка – нормальное мейотическое деление, приводящее к формированию яйца и экструзии трех ПТ. В этом процессе полярные тельца подавляются и дегенерируют. Правая часть рисунка – в результате гормональных влияний нарушается экструзия ПТ в ходе мейоза I (MI) и полярное тельце с его полным набором хромосом остается в его активной цитоплазме. Второе мейотическое деление (MII) приводит к формированию четырех женских пронуклеусов. Полиспермия обеспечивает оплодотворение всех материнских пронуклеусав и формированию двух различных типов клеток: самцы (ZZ) и самки (ZW). В ходе последующих стадий развития происходит постепенная элиминация одного типа клеток (ZZ или ZW) согласно гормональному/химическому фону эмбриона. Это приводит к смещенному соотношению полов у потомства на стадии снесения яйца.

Физиологическая полиспермия у птиц включает от 20 до 60 сперматозоидов, которые подвергаются акросомной реакции и проникают в периветиллиновую мембрану. Поскольку в этот момент в яйце присутствуют четыре различных женских пронуклеуса, полиспермия может обеспечить оплодотворение этих пронуклеусов различными спермиями. Этот процесс может привести к формированию до четырех диплоидных бластомеров (два из них будут 2A+WZ и два 2A+ZZ). Следовательно, оба типа клеток ZW и ZZ могут присутствовать в эмбрионе сразу после оплодотворения. Мы предполагаем, что химическое (гормональное) окружение в яйце может по разному повлиять на скорость деления Z- и W-несущих клеток. В конечном счете, рост одного типа клеток (ZZ или ZW) подавляется, в то время как другой тип определяет пол эмбриона. Мы полагаем, что последний сценарий может быть ответственным за смещение полового соотношения, наблюдаемого на стадии снесения яйца. Ниже представлены данные подтверждающие предлагаемый механизм.

3. Появление и происхождение гинандроморфных птиц

Птицы-гинандроморфы были описаны более чем столетие назад и охватывают множество видов птиц, таких как голуби, Columbidae, синеспинные лесные певуны Dendroica caerulescens, домовые воробьи Passer domesticus, фазаны Phasianus colchicus and torquatus, бородатые манакины Corapipo altera и горихвостка-чернушка Phoenicurus ochruros. Возможны различные механизмы, ответственные за появление гинандроморфного фенотипа. Начиная с работы Hollander, неспособность экструзии ПТ и последующее оплодотворение яйца с множественными ядрами считается наиболее вероятной причиной появления гинандроморф у птиц. Hollander обобщил 182 случая спонтанных гинандроморф у голубей и сделал некоторые предположения об эволюции данного явления. Хромосомные основы гинандроморфизма также были подтверждены на домашней курице, Gullus domesticus и зебровой амадине, Taeniopygia guttata. После тщательного анализа гинандроморфных кур Zhao et al. установили, что половые химеры возникают в результате неспособности экструзии ПТ в ходе мейоза с последующим оплодотворением Z- и W-несущих пронуклеусов самок. Это заключение подтверждает механизм смещения полового соотношения, предлагаемого в данной работе.

4. Неспособность экструзии ПТ и его потенциал развития

Неспособность экструзии ПТ является широко распространенным явлением в животном царстве. Это явление имеет место в ответ на некоторые внешние стимулы, такие как температура и давление. К примеру, физический или химический шок, примененный в ходе первого деления мейоза у моллюска ли мейоза II у рыб может подавить деление клетки и предотвратить экструзию ПТ. Это свойство также широко используется для производства полиплоидов в рыбоводческом хозяйстве.

У самок высших позвоночных животных созревание ооцитов происходит внутри матери, и включает прохождение мейоза через профазу I к метафазе II и экструзию первого ПТ. Флуктуации стероидных гормонов являются естественными триггерами этого процесса. Если учесть, что экструзия ПТ опосредована белком актином, полимеризация которого, как известно, находится под влиянием гормонов, любые аномальные гормональные флуктуации в момент прохождения первого мейотического деления могут прервать процесс экструзии ПТ. К примеру, фолликулостимулирующий гормон регулирует процесс мейотического деления и экструзию ПТ в ооцитах хомяка.

У птиц экструзия ПТ происходит около 1–2-х часов перед овуляцией. Хоть и невозможно наблюдать данный процесс непосредственно, можно предположить, что неспособность экструзии ПТ ответственна за появление полиплоидных эмбрионов. У птиц спонтанные триплоиды считаются одной из причин ранней эмбриональной смертности. И в то же время, селекция на триплоидность может привести к производству кур, у которых до 20% эмбрионов являются триплоидами, и половина из которых доживают до вылупления. Присутствие этих триплоидов указывает на высокий процент ошибок, которые имеют место в ходе мейоза I и II. Более детальный анализ, проведенный на 147 триплоидах эмбрионов кур позволил заключить, что 76% из них появились в результате подавления мейоза II, 12% — мейоза I и 12% в результате диандрии. В то время как полиплоидные эмбрионы не могут служить в качестве обоснования явления смещения полового соотношения потомства, вышеприведенные данные представляют дополнительные доказательства в пользу того, что нарушение экструзии ПТ является широкораспространенным явлением у птиц.

Было установлено, что хромосомы, входящие в первое ПТ имеют такой же генетический потенциал, как и оставшиеся хромосомы в ооците, и при определенных подходящих условиях они могут способствовать нормальному эмбриональному развитию. В этих экспериментах первое ПТ мыши было инъецировано в энуклеированный зрелый ооцит, после чего было проведено искусственное осеменение. При переносе в приемную мать до 57% эмбрионов развивались в фертильных потомков. Исходя из того, как происходит формирование естественных гинандроморф у птиц, можно предположить, что ПТ также способны к формированию функциональных организмов.

5. Дифференциальный потенциал развития бластомеров самцов и самок птиц

Для того, чтобы работал предлагаемый механизм, повышенные уровни гормонов у самки должны не только блокировать экструзию ПТ, но также направленно влиять на конкуренцию между клетками самок и самцов в химерном бластодиске. Фактически, информацию о различиях по потенциалу развития между Z и W-несущими клетками можно извлечь из исследований естественно и экспериментально полученных эмбрионов с аномалиями развития. В частности, бластодермальные химеры, полученные путем смешивания клеток разных полов у птиц, используются для изучения путей развития бластодермальных клеток или специализированных типов клеток, таких как примордиальные половые клетки. Когда химеры были получены путем переноса бластодермальных клеток самцов в реципиентных самок, половина полученных химер были фенотипически самцами, а половина – самками. А при переносе бластодермальных клеток самок в реципиентных самцов всегда получались химеры с самцовым фенотипом. Однако, дифференциация первичных половых клеток самок в гонадах самцов и дифференциация первичных половых клеток самцов в яичнике  астично подавлена. Молекулярный механизм этих ограничений до конца не понят, но, в то же время, эти данные указывают на наличие сложных взаимоотношений между Z- и W-несущими клетками у половых химер птиц.

Было замечено, что некоторые триплоидные генотипы более жизнеспособны по отношению к другим в ходе эмбриогенеза, что свидетельствует о неравном потенциале развития, свойственного Z и W половым хромосомам. Триплоиды с ZWW выживают только в первые несколько дней инкубации, в то время как особи с ZZW и ZZZ доживают до вылупления и полового созревания. Более того, определение пола в бластодисках из неоплодотворенных яиц кур выявило большее количество Z хромосом.

Подробный анализ потенциала развития триплоидов неоплодотворенных бластодисков и экспериментальных химер позволяет сделать вывод о доминантности Z хромосомы над W хромосомой в конкурентной среде. В то же время, это не означает простоту определения пола потомства и доминирование одной хромосомы над другой. Для того, чтобы предсказать направление ожидаемого полового соотношения необходимо принимать во внимание видоспецифичность и силу гормональных стимулов. Например, хроническое повышение уровня кортикостерона приводит к смещению полового соотношения в сторону самок у японского перепела Coturnix japonica и у белоголового воробья Zonotrichia leucophrys в то время, как высокие дозы этого гормона приводят к смещению полового соотношения в сторону самцов у домашних кур. Если учесть, что изменения уровня материнских гормонов в ходе формирования яйца могут привести к полоспецифической смертности эмбрионов, обнаруженной на стадии после снесения яйца, то, возможно, что они могут также влиять на процессы, действующие в ходе конкуренции клеток самок и самцов на стадии до снесения яйца.

И в заключение, не только материнские гормоны, но также и некоторые другие компоненты желтка могут влиять на результат конкуренции клеток в химерном эмбрионе. Необходимо установить влияют ли эти вещества, а если влияют, то как, на развитие различных типов клеток.

Вывод

Выяснение механизма смещения полового соотношения у птиц играет важную роль в понимании его эволюции и может иметь значительное практическое применение. Несмотря на важность, предполагаемый механизм данного явления до сих пор не выяснен. Наиболее фундаментальные аспекты предлагаемого нового механизма (Рис.) имеют сильную эмпирическую поддержку. Блокирование экструзии ПТ происходит естественным путем, и вероятность этого явления может повышаться в ответ на стрессовые факторы, с которыми сталкивается самка и опосредовано гормонами. Впоследствии, гормональный фон внешнего слоя желтка может влиять на результат конкуренции между двумя типами клеток в химерном эмбрионе, приводя к смещению полового соотношения потомков на стадии снесения яйца. Важно то, что все случаи смещения полового соотношения птиц, описанные до сих пор, могут быть объяснены этим механизмом. Проверка предлагаемого механизма довольно проста и значительно легче, чем проверка механизма, основанного на нарушении сегрегации половых хромосом.

С эволюционной точки зрения идея о том, что определение пола потомства у птиц может быть отложено после прохождения мейоза, и происходить постепенно, представляет собой очень привлекательную концепцию. По сравнению с сегрегацией хромосом, которая происходит в считанные секунды, наш сценарий отводит больше времени на интеграцию информации о содержании желтка, и поэтому лучше обеспечивает соответствие между полом и качеством яйца. Такое соответствие, часто опосредованное гормонами, фактически встречается у яйцекладущих видов. Общепринято, то неспособность экструзии ПТ является нежелательным событием в ходе развития организма. Если данное явление действительно может привести к контролю соотношения полов у потомков, то оно может обеспечить некоторое селективно преимущество.