У пчел пол определяется сочетаниями полиморфизмов гена Csd

У медоносных пчел (Apis mellifera) и многих других перепончатокрылых пол определяется плоидностью. Из гаплоидных неоплодотворенных яиц развиваются гаплоидные трутни, а самки развиваются только из оплодотворенных яиц. За развитие оплодотворенного яйца по женскому типу отвечают два аллеля одного гена (csd), по которому самки всегда гетерозиготны. При наличии одного аллеля из двух или при наличии двух одинаковых аллелей развиваются самцы, причем диплоидные гомозиготные самцы либо не выживают, либо продуцируют только диплоидные сперматозоиды. Несмотря на то что у пчел существует по меньшей мере 4950 аллелей csd, полов у пчел все равно два. Немецкие ученые разобрались в молекулярном механизме определения пола у пчел.

Под контролем гена csd находятся гены fem и dsx. Сплайсинг транскриптов fem зависит от активности csd и специфичен для пола — белки Fem, транскрибируемые c варианта fem^F в организме самок, направляют сплайсинг транскриптов dsx по женскому типу. При этом характерный для самцов сплайс-вариант fem (fem^M)не кодирует белок, и dsx сплайсируется иначе. Разные сплайс-формы dsx, в свою очередь, определяют формирование репродуктивной системы по мужскому или женскому типу.

Чтобы оценить, необходимы ли для определения пола по женскому два различных белка, считывающихся с разных копий гена csd, авторы работы ввели ранние стоп-кодоны в один из аллелей csd в гетерозиготных яйцах пчел, из которых в норме должны были развиться самки. Оказалось, что при таком редактировании начиналось развитие по мужскому типу, и у куколок были различимы семенники. Они, однако, были существенно более мелкими, чем у нормальных куколок, и постепенно развитие таких куколок замирало. Таким образом, для развития по женскому типу у пчел необходимы две функциональные копии csd, с которых считываются белки дикого типа.

Для того чтобы выяснить, достаточно ли экспрессии двух аллелей csd для развития пчел по женскому типу, ученые интегрировали в геном мужских зародышей дополнительную копию гена csd. Однако выведение трансгенных трутней оказалось очень сложной задачей: сначала необходимо было получить трансгенных пчелиных маток и стимулировать производство исключительно гаплоидного потомства. Из-за мозаицизма трансгенных маток только около 10% полученных самцов несли целевой ген, поэтому детально изучить особенности их полового развития исследователям не удалось. Тем не менее, ученые отследили, что у таких трутней паттерн сплайсинга генов fem и csd сменился с мужского на женский. Таким образом, второй копии csd достаточно для феминизации.

Авторы исследования предположили, что на молекулярном уровне дифференцировка пола у пчел происходит благодаря взаимодействию между разными или одинаковыми молекулами белка Csd. Иными словами, механизм, определяющий пол, различает взаимодействие идентичных или различающихся вариантов. Действительно, как оказалось, молекулы Csd формируют тримеры. Интересно, что тримеры формируют и эволюционно близкие к Csd белки Fem. Ученые также продемонстрировали, что полиморфизмы, затрагивающие домены PSD в Csd, могут влиять на способность белков формировать не тримерные, а димерные комплексы. Идентичные варианты Csd связываются друг с другом PSD-доменами, а в случае разных вариантов Csd комплекс не образуется. Однако полиморфные различия усиливают селективное связывание с другим доменом — coiled-coil мотивом (CC-мотивом). Именно он обеспечивает прочное связывание разных вариантов Csd друг с другом. Нарушение функционирования этого домена, как показали дальнейшие опыты на трансгенных пчелах, препятствует развитию организма пчелы по женскому типу.

Схема определения пола у медоносной пчелы. Два разных аллеля гена csd кодируют разные варианты белка Csd. Из них формируется активный комплекс, который направляет сплайсинг транскрипта fem по женскому типу, тогда как при наличии только одного варианта Csd формируется неактивный комплекс, и fem сплайсируется по мужскому типу.
Credit:
Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg4239 | CC BY

Ученые заключили, что именно взаимодействие между разными вариантами Csd при участии CC-мотивов лежит в основе формирования женского пола у пчел. Активный комплекс, состоящий из разных вариантов Csd, направляет сплайсинг fem по пути, определяющему женский пол. Напротив, гомомерный комплекс неактивен и не затрагивает регуляцию сплайсинга fem, который по умолчанию сплайсируется по мужскому пути.

Самцы желтых сумасшедших муравьев — химеры