Не так давно в дикой природе у побережья Флориды были обнаружены юные представительницы вида гребенчатый пилорыл (Pristis pectinata), рожденные, по всей видимости, в результате непорочного зачатия. Это второй зафиксированный случай партеногенеза у позвоночных животных, обычно практикующих половое размножение, в дикой природе. Партеногенез у представителей видов, способных к половому размножению, называется факультативным.
Фра Беато Анжелико «Блаовещение»
© Wikimedia Commons
Впервые факультативный партеногенез в дикой природе был обнаружен у двух родственных видов змей – медноголового и водяного щитомордников. Ученые обнаружили несколько беременных самок, а дальнейшие наблюдения и исследование ДНК родившихся змеенышей показали отсутствие отцовской ДНК в ДНК потомства.
В зоопарках и аквариумах мира время от времени с некоторыми видами животных, у которых в норме для размножения нужны самец и самка, происходит одна и та же история. В помещении живут одна или несколько самок, и никаких самцов. Одинокие самки рыб, амфибий и рептилий иногда откладывают икру или яйца, но без оплодотворения эмбрион не развивается. Поэтому сотрудники обычно их убирают, и делу конец.
Но вот в 2001 году в Небраске, живородящая рыба-молот родила детеныша, хотя в аквариуме жили только три самки этого вида. К сожалению, сотрудники зоопарка не были готовы к такому развитию событий, и детеныш через несколько дней был убит жившим в том же аквариуме скатом-хвостоколом. В том же году похожий случай произошел в штате Виргиния с живородящей черноперой акулой. В обоих случаях генетические исследования подтвердили факт непорочного зачатия.
Сотрудники зоопарка в Детройте, очевидно, слышали об этих историях, поэтому, когда в 2002 году жившая у них в компании с другой самкой белопятнистая кошачья акула отложила яйца (этот вид не относится к живородящим), яйца не убрали. В результате 15 недель спустя вылупились две акулы. Исследователи подозревали, что мать попала из дикой природы в неволю уже после оплодотворения (самки многих видов умеют сохранять сперму какое-то время), но генетический анализ опроверг это подозрение и однозначно указал на партеногенетическую природу рождения детенышей.
Индукция партеногенеза у птиц была впервые замечена у содержащихся в неволе певчих птиц зебровых амадин. У них, однако, партеногенетически зачатый зародыш развивался неправильно, и вылупления жизнеспособной особи не произошло. У домашних кур и индеек и голубей описаны случаи вылупления жизнеспособных особей, зачатых партеногенетически, однако, это довольно редкое событие, и получившиеся в результате птицы не всегда чувствуют себя хорошо.
Во всех этих случаях мы видим примеры факультативного (необязательного) партеногенеза, к которому представительницы некоторых видов позвоночных прибегают при полном отсутствии партнера (как в зоопарках) или когда найти партнера становится сложно (как при сокращении численности популяции у гребенчатых пилорылов). На основании этого может сложиться впечатление, что партеногенез заведомо проигрышная стратегия, и годится только чтобы совсем не вымереть.
Однако это впечатление не такое уж и верное. В природе существует около 80 видов позвоночных (амфибий, рептилий и рыб), у которых партеногенез носит не факультативный (время от времени), а облигатный (обязательный) характер. Как правило, все представители таких видов одного пола. Примечательно, что в ходе эволюции изначально пола у них было два, но в какой-то момент «мужской» пол оказался утрачен. Данные молекулярно-генетических исследований показывают, что перешедшие на облигатный партеногенез представители отряда саламандр перешли еще во время плиоцена – 4-5 миллионов лет назад. На первый взгляд, это доставляет саламандрам некоторые неудобства: из отложенных яиц дети вылупляются не более чем в трети случаев. Но победителей не судят: некоторые виды в таком виде просуществовали уже несколько миллионов лет, и вымирать не торопятся. Более того, при колонизации труднодоступных (например, высокогорных) областей они могут иметь преимущество.
Чтобы понять, почему это так, давайте сравним обычное половое размножение и партеногенез. При половом размножении в популяции могут существовать особи, довольно непохожие друг на друга, а условия окружающей среды будут определять, какие именно качества дают в данный момент преимущество. Но условия могут меняться, и внезапно какое-то другое качество может оказаться очень полезным. Половой процесс при этом обеспечит максимально быстрое распространение нового полезного качества по всей популяции. Правда, передача полезного качества по наследству будет носить вероятностный характер, и, пока его носители не составляют в популяции большинства, качество может утрачиваться в следующих поколениях. Если вид размножается партеногенетически, то новое полезное качество появится только в ограниченной части популяции – у прямых потомков первого обладателя. Зато появится гарантированно. Кроме того, у видов, практикующих половое размножение, непосредственно рожают детей только половина особей. Партеногенез позволяет размножаться быстрее и нет необходимости кормить «дармоедов» или тратить силы на поиск партнера.
Некоторые более примитивные виды используют обе стратегии: в неблагоприятных условиях они практикуют половое размножение, обеспечивающее лучшую приспосабливаемость, а, если вдруг условия становятся очень благоприятными, переходят на партеногенез и быстро увеличивают численность популяции. Так поступают, например, коловратки. Позвоночные, по-видимому, так тонко регулировать процесс не могут, и могут переходить на партеногенез только при отсутствии или дефиците партнеров. При этом существует самка комодского варана (вероятно, не одна), произведшая потомство обоими способами.
Поскольку у большинства позвоночных партогенез в норме случается очень редко, но все-таки иногда случается, должны существовать механизмы, которые предотвращают его, и временами эти механизмы должны давать сбой.
Взаимодействие сперматозоида с наружными оболочками яйцеклетки необходимо, чтобы запустить процесс деления после оплодотворения. Многие однополые виды, например, саламандры, вынуждены использовать сперму близкородственных видов. Генетического вклада такие сперматозоиды не вносят, но запускают процесс деления.
Гораздо большая проблема заключается в том, что в зрелой, готовой к оплодотворению и делению яйцеклетке обычно содержится одинарный (гаплоидный) набор хромосом. У позвоночных новый организм из такой яйцеклетки развиться не может, число хромосом должно удвоиться. Обычно это достигается за счет добавления хромосом сперматозоида, но, если сперматозоида не предвидится, надо искать другие варианты.
Образованию зрелой яйцеклетки предшествуют два деления мейоза. Стволовая клетка предшественник яйцеклетки содержит двойной набор хромосом. Перед первым делением мейоза происходит удвоение всех хромосом и гомологичная рекомбинация (обмен участками). Затем клетка делится на большую клетку с двойным набором хромосом (будущую яйцеклетку) и маленькую клетку с двойным набором хромосом (первое полярное тельце). Затем будущая яйцеклетка претерпевает следующее деление: на большую клетку с одинарным набором хромосом – яйцеклетку и маленькую клетку с одинарным набором хромосом – второе полярное тельце.
Полярные тельца в последнее время заинтересовали в последнее время специалистов по вспомогательным репродуктивным технологиям. Среди ДНК полярных телец обязательно содержится точная копия ДНК яйцеклетки, и, взяв их на исследование, можно заранее выяснить, не содержит ли яйцеклетка генетических дефектов.
Существует несколько стратегий удвоения генетического материала для партеногенеза. Одна из них – это дополнительное удвоение генетического материала перед началом мейоза. При таком способе после второго деления мейоза яйцеклетка как раз будет иметь двойной набор хромосом.
Другие способы заключаются в обратном слиянии клеток после любого из делений мейоза или даже обратном слиянии первых двух бластомеров. Бластомерами называют клетки, образующиеся на ранних стадиях деления оплодотворенной яйцеклетки. Обычно у таких клеток двойной набор хромосом, но если делиться начала неоплодотворенная яйцеклетка, то двойному набору взяться неоткуда. И бластомеры с одинарным набором могут слиться и образовать клетку с двойным набором.
Партеногенез занимает среднее положение между половым процессом с участием двух родителей и вегетативным размножением. Геном ребенка, рожденного партеногенетически, не обязательно полностью совпадает с материнским. В зависимости от механизма у ребенка могут быть все гены матери, а может быть только половина. Кроме того, в результате гомологической рекомбинации гены могут быть частично перетасованы.
Пол ребенка, рожденного в результате партеногенеза, зависит от метода определения пола у данного вида. У тех видов, у которых пол определяется по системе XY-хромосом, как у человека, возможно партеногенетическое рождение только особей женского пола. У птиц, рептилий и амфибий с их ZW системой (ZZ – мужчины, ZW – женщины), наоборот, возможно рождение ребенка любого пола: женского в случае, когда ребенку достается весь материнский геном и мужского, когда одна удвоенная половина.
Возникает вопрос, почему никто из ученых никогда не сталкивался с подтвержденными случаями партеногенеза у млекопитающих. Вообще говоря, с помощью химических веществ или электрического тока яйцеклетку млекопитающих можно заставить делиться, не дожидаясь сперматозоида. Ответ на этот вопрос, по-видимому, кроется в геномном импринтинге: ДНК в сперматозоидах и яйцеклетках эпигенетически отрегулирована таким образом, чтобы зародыш из двух женских или мужских клеток переставал развиваться на определенном этапе из-за отсутствия продукта нужных генов. В экспериментах, когда в зрелую яйцеклетку пересаживали ядро из другой яйцеклетки, или в яйцеклетку, лишенную ядра, пересаживали ядра двух сперматозоидов, зародыш начинал развиваться, но вскоре прекращал.
И вот в 2009 году японским ученым удалось отредактировать эпигенетическую метку в мышиных яйцеклетках так, чтобы из двух мышиных яйцеклеток родилась новая мышь. Правда, это были яйцеклетки двух разных самок, вероятно, если бы обе яйцеклетки были от одной самки, редактировать бы пришлось гораздо больше.
Какие перспективы это открывает перед людьми? Разумеется, не приходится говорить о партогенетическом рождении новых людей, но пользу из этого извлечь можно. Только начавшая делиться яйцеклетка – это ни с чем не сравнимый источник плюрипотентных стволовых клеток. Со временем, вероятно, будут отработаны методы их перепрограммирования в любые другие ткани и, возможно, и органы. Если начала делиться неоплодотворенная яйцеклетка, ее генотип и генотип будущих стволовых клеток будет идентичен генотипу хозяйки, и полученные из таких стволовых клеток ткани и органы не будут вызывать иммунного отторжения.
Источник: А. Брутер polit.ru
