Рецессивные мутации влияют на скорость сперматозоидов у рыб

Обычно эякулят позвоночных содержит миллионы сперматозоидов. При этом для оплодотворения требуется лишь небольшое количество. Возникающая конкуренция между сперматозоидами имеет очевидный смысл у видов с полиандрией, но кажется избыточной при спаривании самки всего с одним самцом. В связи с этим были выдвинуты теории, что конкуренция между сперматозоидами является формой отбора, работающей на их гаплоидные генотипы. Двое ученых из Университета Нью-Йорка показали, что мутагенез влияет на скорость сперматозоидов у рыб Astyanax mexicanus.

Ученые построили стратегию исследования на ряде ранее опубликованных фактов. Первый — при конкуренции между двумя одинаково многочисленными генотипами сперматозоидов тот, который имеет хотя бы минимальное преимущество, то есть чуть лучший фенотип, почти всегда выигрывает «гонку» и оплодотворяет яйцеклетку. Второй — гаплоидный генотип сперматозоида влияет на его фенотип. Третий — аллели, подвергающиеся отбору при оплодотворении, влияют на приспособленность зиготы. При комплексном рассмотрении этих фактов возникает вопрос: влияют ли на фенотип сперматозоидов de novo мутации? Если влияют, то конкуренция между сперматозоидами может служить механизмом «отсеивания» рецессивных мутаций, не проявляющихся в диплоидном организме.

Авторы использовали мутаген N-этил-N-нитрозомочевину (ENU), который у рыб провоцирует преимущественно возникновение рецессивных точечных мутаций в стволовых клетках спермы. Большинство подобных мутаций не проявляются в диплоидном состоянии, но могут влиять на фенотип гаплоидных сперматозоидов. Так как мутации, возникающие в стволовой клетке, будут проявляться только у ее потомков, ученые ожидали обнаружить повышенное фенотипическое разнообразие в сперме рыб, получавших ENU.

Для анализа фенотипа сперматозоидов ученые использовали компьютерную систему анализа спермы (CASA). Система позволяет оценить ряд фенотипических параметров, однако исследователи сосредоточились на двух наиболее показательных — скорости криволинейного движения (VCL) и длине хвоста сперматозоида (измеряемой без помощи CASA). Так как длина хвоста определяется процессами, происходящими, когда сперматозоиды все еще находятся в эффективно диплоидном состоянии, ученые ожидали обнаружить большую вариацию в VCL, чем в длине хвоста.

В первом эксперименте авторы измеряли VCL сперматозоидов рыб, получавших мутаген, и контрольной группы. После этого для каждой особи определялся коэффициент вариации (CV). Средние значения CV для рыб, получавших мутаген, оказались значимо выше, чем у контрольной группы — 0,457 против 0,414 соответственно. Полученные результаты подтвердились при повторе эксперимента (0,453 против 0,391).

Для третьего эксперимента ученые разбавляли эякулят для уменьшения количества клеток, включаемых в анализ CASA. Как и предполагалось, это снизило уровень вариации в обоих группах, однако средний CV у рыб, получавших ENU, все еще был значительно выше, чем у контрольной группы — 0,297 против 0,283.

Далее ученые проанализировали влияние мутагенеза на длину хвоста сперматозоидов. Этот параметр измерили у 18 самцов, получавших мутаген, и у 20 самцов из контрольной группы (средний размер выборки для каждого самца более 50 сперматозоидов). Ученые не нашли значимых различий в длине хвостов между двумя группами. Они также не обнаружили корреляций между длиной хвоста и VCL, что говорит о том, что различия, выявленные в предыдущих экспериментах, обусловлены другими факторами.

Наконец, авторы проверили, есть ли корреляция между использованием ENU и другими фенотипическими параметрами, оцениваемыми CASA. Значимые корреляции были обнаружены только для еще двух показателей скорости движения.

Таким образом, ученые показали, что de novo рецессивные мутации могут проявляться в фенотипе сперматозоидов и влиять на вероятность успешного оплодотворения каждым отдельным сперматозоидом. Они указывают на необходимость дальнейших исследований этого феномена, так как описанные взаимодействия могут оказаться важными для сферы здравоохранения — ученые отмечают, что у детей, зачатых при помощи вспомогательных репродуктивных технологий, риск возникновения нарушений развития на 40% больше, чем при естественном зачатии. По мнению ученых, повышение риска может быть ассоциировано в том числе с отсутствием конкуренции между сперматозоидами и эффекта отсеивания мутаций.

Подвижность сперматозоидов коралла и человека регулируется одним механизмом