Самцы мух не являются миниатюрными самками: неравномерный рост, специфичный для клеток, определяет различия в размерах между полами у плодовых мух

от

Различия в размерах между полами широко распространены в биологии, однако механизмы, лежащие в их основе, часто остаются неясными. Мы задались конкретным вопросом в классическом модельном организме: когда самки мух крупнее самцов, достигается ли это за счёт увеличения количества клеток в отдельных органах, увеличения размера уже имеющихся клеток или сочетания обеих стратегий — и является ли это последовательным для всего тела?

Используя данные об отдельных ядрах всего организма и целенаправленные эксперименты, мы показали, что ответ неоднозначен: половые различия в пропорциях тела возникают из-за аллометрии органов, а не из-за единого для всех правила.

В составе международной группы, включая Национальные институты здравоохранения США, а также сотрудников таких учреждений, как Sanford Burnham Prebys, Европейская молекулярно-биологическая лаборатория и Университет Британской Колумбии, мы исследовали клеточные основы полового диморфизма. Результаты представлены на препринт-сервере bioRxiv.

Мы изучили Fly Cell Atlas — всеобъемлющий, передовой атлас отдельных ядер, опубликованный в Science, который охватывает ~580 000 ядер из 15 половых взрослых тканей, а также целые головы и обезглавленные тела. Это позволило нам сравнить мужские и женские типы клеток по всему животному, используя единый подход. Затем мы проверили предсказания экспериментально, чтобы подтвердить, отражают ли различия изменения в количестве клеток или их размере.

В основе нашего открытия лежит аллометрия, которая означает, что части организма масштабируются с разной скоростью относительно общего размера (например, струны скрипки не масштабируются так же, как её корпус). Изометрия означала бы равномерное масштабирование. Мы обнаружили, что различия в размерах возникают из-за индивидуальных клеточных стратегий: некоторые органы увеличиваются за счёт добавления большего количества клеток, другие — за счёт увеличения уже имеющихся клеток — и эти стратегии различаются у самцов и самок.

Возьмём, к примеру, полётные мышцы, необходимые для воздушной акробатики. У самок эти мышцы больше, потому что во время развития в них изначально больше клеток-предшественников, называемых миобластами. Самцы, напротив, обходятся меньшим их количеством, что приводит к меньшим мышцам в целом. Эта стратегия, основанная на количестве клеток, подчёркивает эффективный способ создания более прочных и крупных структур без изобретения колеса.

Сердце, которое перекачивает гемолимфу (аналог крови у мух) по всему телу, также демонстрирует интересные различия. У обоих полов одинаковое количество кардиомиоцитов — мышечных клеток сердца. Однако у самок орган больше, потому что размер клеток или другие факторы, такие как внеклеточный матрикс, влияют на масштабирование. Это открытие опровергает предположение, что больший размер всегда означает большее количество клеток.

Жировое тело, которое функционирует как печень и жировое депо у мух, представляет собой ещё один интересный аспект. Клетки жирового тела у самок увеличены за счёт более высокой экспрессии мРНК, кодирующей рибосомальные белки — молекулярный механизм, который увеличивает производство белка для поддержки роста. В то же время самцы компенсируют это большим количеством более мелких клеток. Этот половой баланс между размером клеток и их количеством не только объясняет масштабирование органов, но и связан с более широкими метаболическими различиями, потенциально влияющими на всё: от использования энергии до продолжительности жизни.

Автор исследования — Сумитра Пал, научный сотрудник Национального института глаза, Национальные институты здравоохранения (NIH), Бетесда, Мэриленд, США. Он специализируется на вычислительной биологии и биоинформатике, уделяя особое внимание геномике отдельных клеток и эпигеномике. Его исследования изучают, как регуляция генов и клеточное разнообразие эволюционируют у разных видов, полов, тканей и при различных заболеваниях. Интегрируя крупномасштабные наборы данных об отдельных клетках с межвидовыми геномными сравнениями, он стремится выявить консервативные транскрипционные программы и создать вычислительные фреймворки для прогнозирования судьбы и функций клеток.

Сумитра увлечён открытой наукой, воспроизводимыми исследованиями и наставничеством молодых учёных, интересующихся вычислительной геномикой. Долгосрочная цель Сумитра — создать собственную лабораторию, которая объединит моделирование на основе ИИ с экспериментальной проверкой для расшифровки правил клеточной идентичности и эволюции.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте