Смяната на пола при риби: стрес, гени и епигенетика при една коралова лабрида

На 10 юли 2019 г. в „Science Advances“ излезе работа на екип с първи автор Е. В. Тод (E. V. Todd) и последен автор Н. Дж. Гемел (N. J. Gemmell). Тя проследява какво става в мозъка и в половите жлези на коралова риба, докато тя сменя пола си. Заглавията говореха за „генетична тайна“. Авторите всъщност описват верига от събития: стрес сигнал, спрян ген, нова генна програма и промени в начина, по който ДНК е „означена“ за четене.

Как се сменя полът при рибите в природата

Видът е Thalassoma bifasciatum, на английски bluehead wrasse (семейство лабриди). Рибите живеят на коралови рифове и в отговор на социален сигнал могат да минат от женски към мъжки. Изследователите работиха с диви риби на рифове край Ки Ларго, Флорида, през май 2012 г. и от май до юли 2014 г. Доминантните мъжки бяха отстранявани от групите, за да се състезават женските за доминантност, а женските над 45 мм дължина бяха маркирани и проследявани.

Рибите се улавяха на последователни етапи, определени по поведение и по строежа на половите жлези. Общо бяха анализирани 41 риби: 6 контролни женски, 8 завършени мъжки и останалите в междинни етапи. От мозъка и половите жлези авторите взеха РНК за секвениране и измериха метилирането на ДНК.

Хронологията по данните на авторите е такава. Поведението се променя за часове, доминантността се установява за 1–2 дни, яйчникът започва видимо да запада за 3–4 дни. На 4–5-ия ден се появява тестикуларна тъкан, на 6–7-ия започва образуването на сперматозоиди, на 8–10-ия има зрели сперматозоиди и рибата се размножава с женски, а пълно мъжко оцветяване се развива след около 20 дни. Ходът на хормоните е предвиден по данни от близък вид, а не измерен в тази работа.

Какво откриха

Първата ясна промяна е спадът на гените за ароматаза, ензим, който превръща андрогените в естрогени: cyp19a1a в половата жлеза и cyp19a1b в мозъка. Авторите допускат, че именно този спад пуска каскада, която изключва женската генна програма. Гените на пътя на кортизола също сменят активността си, което според авторите говори за период на висока кортизолова активност на втория етап. Това е изведено от генната експресия, а не от измерен кортизол.

Преди да се появи мъжка тъкан, се засилват гените amh и неговият рецептор. След тях идват dmrt1, sox9 и gsdf. Нарастват и гени на сигналния път JAK-STAT, който дотогава не е бил свързван с половото развитие при гръбначните.

Метилирането на ДНК в CG позиции е 70,7 % в яйчника и 82,1 % в тестиса. Промоторът на cyp19a1a става силно метилиран, докато генът замлъква, а промоторът на dmrt1 губи метилиране, докато генът се включва. Междинните полови жлези не са смес от яйчник и тестис: по генна експресия и по метилиране те образуват отделна група. Епигенетичната машинария на този стадий прилича на тази в ранни клетки на бозайници. Авторите подчертават, че смяната не става чрез пряко превръщане на яйчникови клетки в тестикуларни.

Какво показаха следващите работи

През 2021 г. Касас и Сабордо-Рей (Casas, Saborido-Rey) в преглед на областта нарекоха тази работа най-пълния анализ на целия геном на смяна на пола при хермафродит. Те отбелязват, че само около 1,5 % от костните риби (462 вида от 41 семейства) сменят пола си. В по-ранни опити перорален кортизол предизвиква смяна от женски към мъжки при видовете, които започват като женски, а при видовете, които започват като мъжки, кортизолът изглежда пречи на смяната. Инхибиторите на ароматазата предизвикват смяна при първите и я блокират при вторите.

Прегледът признава, че повечето данни са корелации между активности на гени и че са нужни функционални опити. Как рибата възприема социалния сигнал, остава голямо предизвикателство. Генната мрежа на смяната на пола не е разгадана докрай при нито един хермафродитен вид.

През 2022 г. Бъд и колеги (Budd) изследваха барамунди, риба, която е първо мъжка, а после женска. Те измериха метилирането на четири гена на пола при диви риби от три района на Северна Австралия. Женските белези в метилирането не се трупаха постепенно с дължината, а изглежда се появяват бързо по време на смяната. Данните обаче са еднократни, от диви риби, а метилирането може да е следствие, а не причина.

Докъде стига доказателството

Изводите на Тод и колеги са корелационни. Повечето етапи са представени от по три риби, а хормоните са предвидени по близък вид. Авторите пишат, че опити с блокиране на метилиращите ензими и на комплекса PRC2 трябва да проверят предложения механизъм. Мозъкът е изследван цял или по части, затова фини промени в отделни нервни групи може да са останали скрити.

Така „тайната“ на смяната на пола остава работна схема. Тя е подробна, но още не е доказана стъпка по стъпка.