Клетки коры надпочечников контролируют родительское поведение у хомячков

Технология анализа единичных клеток позволяет ученым выявлять популяции клеток, которые формируют тот или иной тип поведения (спаривание, материнская агрессия, ухаживание за потомством). Однако обычно остается неясным, как эти клетки функционируют и как появляются в ходе эволюции. В новом исследовании, опубликованном в Nature, авторы изучили два сестринских вида — берегового хомячка (Peromyscus polionotus subgriseus) и оленьего хомячка (Peromyscus maniculatus). Несмотря на генетическую близость, береговые хомячки моногамны, а для оленьих хомячков, напротив, характерен промискуитет, и эти виды проявляют разные формы родительского поведения. Исследователи показали, что в основе этих различий лежит особый тип клеток коры надпочечников, который встречается у берегового хомячка, но не у оленьего. Эти клетки экспрессируют фермент Akr1c18, который превращает прогестерон в 20α-гидроксипрогестерон. Используя различные методы, авторы определили, как 20α-гидроксипрогестерон влияет на фенотип.

Размер надпочечников у оленьего хомячка и мыши приблизительно одинаков; у берегового хомячка надпочечники весят примерно в четыре раза больше, а в пересчете на массу тела — в шесть раз больше. Уже при рождении надпочечники береговых хомячков вдвое крупнее надпочечников оленьих хомячков, то есть различия в размере появляются уже во время эмбрионального развития. Подобные различия редко встречаются у близкородственных видов.

Медуллярная часть надпочечников происходит из клеток нервного гребня, а клетки коры — из мезодермы. У берегового хомячка кора надпочечников в 8,9 раз больше по объему, чем у оленьего хомячка, а медуллярная часть —в 2,6 раза больше. Причем увеличен как размер клеток, так и их количество (в 4,8 раза).

Чтобы охарактеризовать молекулярные различия надпочечников, исследователи секвенировали РНК этих органов. Уровень экспрессии гена Cyp21a1, продукт которого превращает прогестерон в дезоксикортикостерон, был примерно одинаков у двух видов, но ген Cyp11b1, кодирующий фермент, превращающий дезоксикортикостерон в кортикостерон, у оленьего хомячка экспрессировался в три раза активнее. Наиболее выраженное различие в уровне экспрессии наблюдалось у гена Akr1c18, который кодирует 20α-гидроксистероиддегидрогеназу, превращающую прогестерон в 20α-гидроксипрогестерон (20α-OHP). У берегового хомячка уровень экспрессии этого гена в 3200 раз выше, чем у оленьего хомячка. Ферментативная активность Akr1c18 берегового и оленьего хомячков была подтверждена биохимически in vitro. Было также показано, что уровень 20α-OHP в надпочечниках у берегового хомячка в 6,9 раз превышает таковой у оленьего хомячка. У самцов оленьего хомячка 20α-OHP практически отсутствует. У самок оленьего хомячка уровень 20α-OHP был в 11 раз ниже, чем у самок берегового хомячка. Более высокий уровень 20α-OHP у самок у обоих видов, вероятно, объясняется высоким уровнем экспрессии Akr1c18 в яичниках по сравнению с яичками.

Чтобы оценить, как менялся уровень синтеза 20α-OHP в пределах рода Peromyscus, ученые включили в анализ белоногого хомячка (Peromyscus leucopus) и калифорнийского хомячка (Peromyscus californicus), а также подвиды P. polionotus leucocephalus и P. maniculatus nubiterrae, оценив у них уровень экспрессии Akr1c18. Уровень 20α-OHP был повышен только у P. polionotus. Филогенетический анализ показал, что береговой хомячок и олений хомячок разошлись примерно 20 тысяч лет назад, то есть повышенная экспрессия Akr1c18 закрепилась совсем недавно.

Долгое время считалось, что 20α-OHP — неактивный метаболит прогестерона. Однако новые данные позволили ученым предположить, что он влияет на родительское поведение. Введение дозы 20α-OHP береговым хомячкам и наблюдение за ними через 20 часов показало, что родители стали еще больше опекать своих детенышей. У оленьих хомячков при введении 20α-OHP появлялись новые формы опеки над детенышами (возвращение детенышей в гнездо происходило у 17% особей после инъекции и у 0% в контрольной группе). Эффект был сильнее у береговых хомячков, так что вид определяет ответ на 20α-OHP. Гормон никак не влияет на тип половых отношений (моно- и полигамию).

Было также показано, что 20α-OHP метаболизируется в алло-диол, который воздействует на нервные цепочки, связанные с заботой о потомстве. Кроме того, 20α-OHP является антагонистом ГАМК-рецептора δGABA_A, роль которого в регуляции родительского поведения уже была известна.

За выработку Akr1c18 отвечает особый тип стероидогенных клеток в коре надпочечников, которые, помимо Akr1c18, экспрессируют гены, необходимые для предшествующих стадий синтеза прогестерона. Следовательно, эти клетки могут превращать холестерин в 20α-OHP. Новый тип клеток коры надпочечников находился в зоне, которую авторы назвали zona inaudita. Таким образом, клетки, влияющие на поведение животного, могут располагаться и вне мозга.

Хромосомная инверсия определяет внешний вид двух экотипов оленьего хомячка