От сперматозоидов-«долгожителей» получается более плодовитое и медленно стареющее потомство
Долгое время считалось, что отбор на уровне сперматозоидов не может быть эффективным, потому что гены сперматозоида почти не экспрессируются, и в целом его фенотип не связан с качеством генотипа. Однако опыты по отбору сперматозоидов на способность долго сохранять подвижность, проведенные на модельной рыбке данио-рерио, поставили этот взгляд под сомнение. Оказалось, что потомство, полученное от сперматозоидов-«долгожителей», отличается повышенной плодовитостью и замедленным старением. Результаты могут оказаться важными для животноводства и репродуктивной медицины.
Самцы большинства животных производят огромное количество сперматозоидов, из которых лишь ничтожная часть в итоге оплодотворяет яйцеклетки. Сперматозоиды из одного эякулята различаются не только генетически, но и по своей морфологии и подвижности, что создает хорошие возможности для отбора. Однако долгое время считалось, что отбор на уровне сперматозоидов вряд ли может заметно влиять на приспособленность (выживаемость, плодовитость) потомков, поскольку геном сперматозоида «молчит»: после мейоза гены перестают экспрессироваться. Белки сперматозоида, определяющие его фенотип, синтезированы на основе диплоидного генома самца, и поэтому фенотип сперматозоида не отражает качество его собственного гаплоидного генома. В таком случае отбирать сперматозоиды по фенотипу — довольно бесполезное занятие.
С другой стороны, постепенно накапливаются данные, свидетельствующие о том, что некоторые гены в созревающих сперматозоидах после мейоза все-таки экспрессируются (C. Barreau et al., 2008. Post-meiotic transcription in Drosophila testes), и что в целом отбор на уровне гамет может играть у животных более важную роль, чем принято считать (S. B. Joseph & M. Kirkpatrick, 2004. Haploid selection in animals). Действительно, было бы немного странно, если бы эволюция полностью «проигнорировала» такую возможность.
Биологи из исследовательской группы Симоны Иммлер (Simone Immler) из Уппсальского университета (Швеция) недавно обнаружили, что у модельной рыбки данио-рерио (рис. 1) искусственный отбор сперматозоидов на способность долго сохранять подвижность позволяет повысить выживаемость и плодовитость потомства. Кроме того, удалось показать, что более подвижные сперматозоиды генетически отличаются от менее подвижных: у них с разной частотой встречаются аллельные варианты некоторых генов, по которым самец был гетерозиготен (G. Alavioon et al., 2017. Haploid selection within a single ejaculate increases offspring fitness).
В новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Evolution Letters, шведские биологи более детально изучили последствия отбора сперматозоидов на «долгожительство». В первую очередь их интересовало возможное влияние такого отбора на скорость старения рыбок, то есть на то, как меняются показатели приспособленности с возрастом. Ранее авторы показали, что из яйцеклеток, оплодотворенных сперматозоидами-«долгожителями», получается потомство, обладающее повышенной приспособленностью в начале жизни (см.: Отбор сперматозоидов влияет на приспособленность потомства у данио-рерио, «Элементы», 14.08.2017). Оставалось неизвестным, что будет с этим потомством впоследствии.
Проблема в том, что рост плодовитости или выживаемости в молодости нередко «покупается» ценой ускоренной деградации организма с возрастом и сокращения жизни (это называют стратегией “live fast, die young” — «живи быстро, умри молодым»). Предполагают, что причины такого «компромисса» (trade-off) между ранней плодовитостью и долгой жизнью связаны с ограниченностью ресурсов организма, которые могут быть направлены либо на интенсивное размножение в молодости, либо на противодействие износу организма, но, как правило, не на то и другое сразу (см.: Disposable soma theory of aging). Поэтому можно было ожидать, что рыбки с повышенной ранней приспособленностью, полученные из яйцеклеток, оплодотворенных долгоживущими сперматозоидами, будут стареть быстрее.
Чтобы это проверить, авторы проследили возрастную динамику нескольких показателей приспособленности у рыб, полученных от отобранных на долгожительство и обычных (неотобранных) сперматозоидов, вплоть до двухлетнего возраста. Пик размножения у данио-рерио в неволе приходится на возраст от 6 до 18 месяцев. В возрасте двух лет рыбок полагается усыплять, потому что старые рыбки часто болеют и могут заразить обитателей соседних аквариумов (в рыбных вивариях поддерживается очень строгий санитарный режим).
Методика отбора долгоживущих сперматозоидов была разработана авторами ранее. Самца, готового к размножению, обездвиживают анестетиком, кладут на влажную губку и аккуратно выдавливают из него 0,7–0,8 мкл эякулята. Сперматозоиды остаются неактивными, пока находятся внутри самца, и активируются (начинают быстро плавать) при контакте с водой. Плавают они не больше минуты, постепенно теряя активность. Ранее было показано, что через 25 секунд после активации лишь у половины сперматозоидов сохраняется подвижность. На этом и основан принцип отбора спермотозоидов на «долгожительство». Исследователи следили за тем, чтобы выдавленный из самца эякулят не контактировал с водой (для этого область вокруг полового отверстия аккуратно высушивали кусочком бумажного полотенца). Эякулят сразу же помещали в специальный солевой раствор (Hank’s balanced salt solution, HBSS), в котором неактивные, но живые сперматозоиды могут храниться какое-то время.
Готовые к оплодотворению яйцеклетки выдавливали из обездвиженных самок. Икру каждой самки делили пополам, чтобы одну часть оплодотворить обычным эякулятом, а другую — отобранными долгоживущими сперматозоидами того же самца. Непосредственно перед искусственным осеменением сперматозоиды активировали путем добавления воды. Одну часть эякулята использовали для осеменения сразу после активации, а другую — спустя 25 секунд, когда половина сперматозоидов уже утратила подвижность (а значит, и способность к оплодотворению). При этом объемы и концентрации всех компонентов (эякулята, солевого раствора и воды) аккуратно подбирались таким образом, чтобы концентрация солей и жизнеспособных сперматозоидов в момент осеменения была одинаковой в двух вариантах опыта.
За жизнью полученного потомства следили в течение 24 месяцев, периодически позволяя рыбкам размножаться и отслеживая возрастную динамику показателей приспособленности.
Оказалось, что рыбки женского пола, полученные из яйцеклеток, оплодотворенных долгоживущими сперматозоидами (вариант LAT, long activation time treatment), живут в среднем дольше, чем самки, развившиеся из яйцеклеток, оплодотворенных неотобранными сперматозоидами (SAT, short activation time treatment). У самцов этот эффект почти не выражен (рис. 2).
Чтобы проследить за возрастными изменениями репродуктивных показателей, рыбкам LAT и SAT позволяли размножаться в возрасте 12, 15, 18 и 24 месяцев. Для размножения в аквариуме данио-рерио необходимы два условия: низкий уровень воды и неровная поверхность дна. Поэтому размножение рыбок легко контролировать. Для нереста самца и самку пересаживают в специальный аквариум с ребристым дном. Каждой рыбке LAT или SAT предоставляли для размножения случайно выбранного партнера (или партнершу) из контрольной популяции дикого типа. Измеряли три параметра: число отложенных икринок, эффективность оплодотворения (процент оплодотворенных яйцеклеток) и выживаемость эмбрионов (процент живых эмбрионов через 24 часа после оплодотворения).
По успешности оплодотворения самки SAT в молодости немного опережали самок LAT, но с возрастом этот показатель у них снижался быстрее. Судя по этому показателю, для самок LAT характерно замедленное репродуктивное старение. Средние значения показателя (за всю жизнь) у самок LAT и SAT оказались примерно одинаковыми.
Самцы LAT по успешности оплодотворения опережают самцов SAT во всех возрастах. Скорость репродуктивного старения у них оказалась одинаковой.
По выживаемости эмбрионов самки LAT в среднем превосходят самок SAT, а скорость снижения этого показателя с возрастом оказалась одинаковой у тех и других. У самцов LAT во всех возрастах выживаемость эмбрионов была выше, чем у самцов SAT, а с возрастом этот показатель у самцов LAT снижался медленнее.
По количеству отложенных икринок самки LAT сильно опередили самок SAT во всех возрастах. С возрастом этот показатель у самок LAT очень медленно снижался, а у самок SAT — немного увеличивался (это единственное исключение из общей закономерности, состоявшей в том, что у SAT репродуктивные функции быстрее ухудшаются с возрастом). К самцам данный показатель тоже применим, потому что от умения самца правильно выполнять брачный ритуал зависит, сколько икринок в итоге отложит его партнерша. Самцы LAT во всех возрастах вдохновляли своих партнерш на откладку большего количества яиц, чем самцы SAT. Кроме того, этот показатель у самцов LAT медленнее снижался с возрастом: от 280 яиц (в среднем) в возрасте 12 месяцев до 140 яиц в возрасте 24 месяца (показатель снизился вдвое). У самцов SAT он снизился втрое: от 240 яиц в 12 месяцев до 80 яиц в 24 месяца.
Таким образом, рыбки LAT (выращенные из яйцеклеток, оплодотворенных сперматозоидами-долгожителями) почти по всем показателям либо превосходят контрольных рыбок SAT, либо, по крайней мере, не уступают им. Гипотеза о том, что повышенная ранняя приспособленность рыбок LAT «куплена» ценой ускоренного старения, не подтвердилась. Наоборот, у LAT многие репродуктивные показатели ухудшаются с возрастом медленнее, чем у SAT, и к тому же самки LAT дольше живут (рис. 2). То есть старение у LAT по сравнению с SAT скорее замедлилось, чем ускорилось.
Дальнейшие исследования должны показать, во-первых, насколько полученные результаты надежны и воспроизводимы, во-вторых, в какой мере они приложимы к другим видам животных. До сих пор данные о положительном влиянии отбора долгоживущих сперматозоидов на приспособленность потомства были получены лишь для единичных видов, таких как асцидия Styela plicata (A. J. Crean et al., 2012. Fertilization Is Not a New Beginning: The Relationship between Sperm Longevity and Offspring Performance) и сёмга Salmo salar (S. Immler et al., 2014. Sperm variation within a single ejaculate affects offspring development in Atlantic salmon). Природу обнаруженного эффекта (если он реален) еще только предстоит расшифровать: она может быть как генетической (долгоживущие сперматозоиды несут более «качественные» генотипы), так и эпигенетической. Независимо от этого, если эффект подтвердится, он сможет найти применение в животноводстве, где широко используется искусственное осеменение, и даже в репродуктивной медицине.
Источник: Ghazal Alavioon, Andrea Cabrera Garcia, Magali LeChatelier, Alexei A. Maklakov, Simone Immler. Selection for longer lived sperm within ejaculate reduces reproductive ageing in offspring // Evolution Letters. 14 February 2019. DOI: 10.1002/evl3.101.