Семён или Семеня: проблемы выбора пола
Половая принадлежность южноафриканской бегуньи Кастер Семеня сегодня является одной из самых популярных тем для спекуляций. Половая принадлежность кажется однозначным очевидным фактом, однако в действительности развитие половых желез – основной этап приобретения того или иного пола – является необычайно сложным и изменчивым процессом.
В представленной вашему вниманию статье профессор кафедры клеточной биологии Медицинского центра Duke University Бланш Кейпел (Blanche Capel), известный исследователь (точнее, известная исследовательница) в области вопросов половой принадлежности, обсуждает атагонистичные молекулярные и клеточные взаимодействия, происходящие на ранних этапах развития эмбриона. Ее работа (статья включена в октябрьский номер журнала The Scientist) позволяет читателю представить всю сложность и напряженность борьбы, происходящей между сигналами, определяющими формирование пола. В некоторых случаях ни одна из программ не может получить абсолютного первенства.
Недавний спор по поводу половой принадлежности южноафриканской бегуньи Кастер Семеня является демонстрацией возможных сложностей, возникающих при определении пола человека. Эксперты вынуждены выбирать, какие критерии являются решающими: ДНК, половые органы или гормоны. У большинства людей эти три характеристики соответствуют друг другу, однако известны случаи, когда у генетических женщин с двумя Х-хромосомами (ХХ генотип) формируются мужские гениталии, и наоборот. Это случается потому, что у человека, как и у большинства млекопитающих, генетический пол (генотип XX или XY) управляет развитием половых желез (семенников или яичников) в эмбриональном периоде, тогда как формирование половых протоков, наружных половых органов и вторичных половых признаков регулируется уже гормонами половых желез.
У многих животных признаки пола достаточно пластичны даже во взрослом возрасте. Например, у некоторых видов рыб взрослые особи женского пола способны быстро менять пол и превращаться в самцов. Если по каким-либо причинам доминирующий самец косяка исчезает, одна из самок меняет пол, приобретая при этом повадки альфа-самца. Такие самки утрачивают способность метать икру и начинают вырабатывать сперматозоиды. Более изощренным примером являются некоторые виды кротов, имеющие гермафродитные половые железы с компонентами яичек и яичников. Половые признаки таких животных могут неоднократно меняться во взрослом возрасте в зависимости от времени года и ситуации: иногда выгоднее быть покорным, а иногда, напротив, продуцировать высокий уровень тестостерона и вести себя агрессивно.
Что обеспечивает такую половую пластичность, наблюдаемую у многих животных? Возможно, врожденная изменчивость половых признаков. Для большинства процессов развития существует только один возможный результат. Например, зачаток почки может превратиться только в почку, а зачаток легкого – только в легкое. Зачаток половой железы, напротив, может развиться как в семенную железу, так и в яичник. «Выбор пола» происходит в эмбриональном периоде и обычно не меняется на протяжении всей жизни, однако, как мы уже сказали, некоторые виды могут позже пересмотреть этот выбор.
Еще одно поразительное отличие процесса определения пола от других процессов развития заключается в том, что гены, регулирующие большинство механизмов, обеспечивающих этот процесс, практически неизменны у всех представителе царства животных. Сами же механизмы, обеспечивающие определение пола, варьируют очень сильно. У одних животных определение пола потомства зависит от плотности популяции, в то время как у других – от температуры. Эмбрион человека развивается внутри матки, где он в большинстве случаев защищен от происходящего в окружающей среде. Определение его пола происходит с помощью генетического механизма, в основе которого лежат половые хромосомы Х и Y. Не существует единого механизма, который управлял бы этим процессом у всех позвоночных, однако кажется невозможным, что ни один из этапов такого важнейшего процесса не является универсальным для всего живого.
Когда я начинала работать в собственной лаборатории, мне казалось, что секрет разгадки этой проблемы, возможно, заключается в лучшем понимании того, как определение пола происходит на уровне клеточной биологии развития органа. Что заставляет клетки гонад принять решение в пользу формирования семенников или яичников, и каким образом различные механизмы определения пола, характерные для разных представителей животного царства, регулируют этот процесс? Результаты недавнего исследования, проведенного сотрудниками моей лаборатории совместно с другими специалистами, указывают на то, что, вероятнее всего, общий основополагающий механизм все-таки существует.
Для меня история началась в 1991 году с открытия гена, управляющего определением пола у млекопитающих. Это открытие, получившее большой резонанс в средствах массовой информации, было сделано в лаборатории Робина Ловелла-Баджа (Robin Lovell-Badge) в Национальном институте медицинских исследований в Лондоне, где я работала после защиты докторской диссертации. Мы выделяли мышиный ген Sry, локализующийся на Y-хромосоме, и встраивали его в геном мышиных эмбрионов с ХХ-генотипом (женского пола). В результате пол эмбрионов менялся на мужской.
Удаление гена Sry из Y-хромосомы эмбрионов с ХY-генотипом, наоборот, заставляло эти исходно мужские эмбрионы развиваться в животных женского пола. Дальнейшая работа, проделанная в сотрудничестве с сотрудниками лаборатории Питера Гудфеллоу (Peter Goodfellow) из Imperial Cancer Research Fund, изучавшими человеческую версию гена Sry, показала, что видовые вариации этого гена входят в состав Y-хромосом лошади, шимпанзе, кролика, свиньи, крупного рогатого скота и тигра. Этот факт свидетельствует о сохранении изучаемого механизма определения пола у млекопитающих.
В 1993 году я начала работу в собственной лаборатории в Duke University. В то время как исследовательские группы, возглавляемые моими бывшими коллегами, продолжали изучать непосредственно ген Sry и другие гены, я посвятила свою работу изучению ранних клеточных механизмов, отвечающих за принятие решения о формировании семенников либо яичников на этапе начала экспрессии фактора транскрипции гена Sry в зачатке половой железы.
Первой проблемой для нас стало создание системы, позволяющей изучать мышиные половые органы в процессе их развития в регулируемых условиях. Задача создания условий, которые позволили бы сохранять жизнеспособность эмбриональных половых желез в лабораторных условиях в течение нескольких дней, пока они не «примут» окончательное решение, оказалась далеко не из легких.
В 1995 году совместно с бывшими коллегами мы решили проверить старую гипотезу, согласно которой популяция клеток из ткани мезонефроса (первичной почки), тесно ассоциированной с гонадами на ранних стадиях развития, мигрирует в ткани будущей половой железы. Мы создали рекомбинантный орган путем комбинирования неокрашенного зачатка половой железы и мезонефроса, клетки которого в определенных условиях приобретали голубую окраску из-за встроенного в их геном гена фермента бета-галактозидазы. К всеобщему восторгу, после нескольких дней совместного культивирования этих фрагментов голубые клетки мезонефроса мигрировали в неокрашенную ткань гонад, причем исключительно обладавших мужским ХY-генотипом. Проникнув внутрь мужской гонады, клетки мезонефроса окружали экспрессирующие Sry клетки Сертоли и формировали семенные канатики – первое морфологическое изменение, указывающее на начало формирования яичка. Помещение между фрагментами тканей мембраны блокировало миграцию клеток и предотвращало запуск формирования семенников.
После провала множества попыток заставить клетки мезонефроса мигрировать внутрь зачатка женской гонады с ХХ-генотипом мы создали так называемую «сэндвич»-культуру. Для этого развивающуюся женскую гонаду помещали между мужской гонадой и мезонефросом. В результате на своем пути к мужской ХY-гонаде клетки мезонефроса проникали в женскую ХХ-гонаду, что, в отсутствие ключевого гена Sry, запускало в ее клетках активацию нескольких генов, ассоциированных с развитием мужской половой железы, и приводило к формированию семенных канатиков.
Эти и другие эксперименты постепенно меняли наши представления о механизмах определения пола. Несмотря на то, что ген Sry стоит у истоков последовательности событий, приводящих к определению пола у млекопитающих, становилось ясно, что формирование семенников зависит от других механизмов, а в их отсутствие у эмбриона развиваются вторичные половые признаки женского организма.
К концу 90-х годов мы идентифицировали несколько процессов, играющих важную роль в развитии гонад, однако все еще не имели ясного представления о комплексе управляющих ими генов. Удача улыбнулась нам в лице коллег из Вашингтонского университета, создавших мутантных мышей, в организме которых не синтезировался фактор роста фибробластов-9 (Fgf9). Такие животные умирали сразу после рождения из-за недоразвития легких. Так как все эмбрионы этих мышей развивались как женские, мы предположили, что ген Fgf9 выполняет одну из ключевых ролей в развитии яичек. Тогда как SRY является фактором транскрипции и может оказывать влияние только на клетки, экспрессирующие определенный белок, а Fgf9 является секретируемым белком и выполняет роль сигнальной молекулы для соседних клеток. Его возможная роль в регуляции пролиферации и привлечении клеток мезонефроса и привлекла наше внимание.
Результаты дальнейшей работы показали, что на бипотенциальном этапе развития гонад – до принятия судьбоносного решения о выборе пола – Fgf9 экспрессируется клетками гонад обоих полов. Однако после запуска экспрессии Sry его экспрессия сильно повышается в мужских (ХY) гонадах и снижается в женских (ХХ). В ХY-гонадах, не имевших гена Fgf9, развитие семенников было полностью блокировано и наблюдался ряд признаков формирования яичников.
Добавление растворимого белка Fgf9 в среду для культивирования индуцировало миграцию клеток мезонефроса в женские половые железы с ХХ-генотипом, сдвигая их развитие в сторону формирования семенников.
Все наши результаты указывали на важную роль гена Fgf9 в развитии мужских половых желез. Развитие же яичников выглядело как пассивный процесс, протекающий в отсутствие каких-либо специализированных факторов.
Первое опровержение этого было получено в 1999 году, когда ученые Гарвардского университета создали мышей, не способных к синтезу белка Wnt4. Так же, как Fgf9, Wnt4 является секретируемой сигнальной молекулой и может оказывать влияние на удаленные от его источника клетки. У мышей, не имеющих гена Wnt4, даже в случае ХХ-генотипа, развивающиеся гонады имели признаки семенных желез. Этот факт показался особенно интересным из-за его сопоставимости с клинически зарегистрированными случаями женщин с ХХ-генотипом, имевших яички в отсутствие гена Sry. Согласно одному из возможных объяснений, у этих пациентов произошел сбой процесса, определяющего формирование яичников и блокирующего развитие яичек.
Мы установили, что, подобно Fgf9, на бипотенциальном этапе развития половых желез Wnt4 экспрессируется гонадами обоих полов. Однако в момент принятия критического решения его экспрессия меняется противоположно изменению экспрессии Fgf9: повышается в ХХ-гонадах и снижается в ХY-гонадах.
Среди результатов наших более ранних экспериментов было наблюдение, что белок Fgf9 может блокировать экспрессию гена Wnt4. Мы предположили, что эти сигнальные механизмы могут действовать антагонистично, решая таким образом судьбу развивающихся гонад, и решили проверить эту гипотезу.
Другие исследователи установили, что первостепенной ролью белка Sry является up-регуляция фактора транскрипции Sox9. Различные эксперименты показали, что белок Sox9 способен выполнять роль белка Sry при активации развития яичек. Мы хотели установить, какие роли в этой пьесе принадлежат белкам Wnt4 и Fgf9. Результаты тщательно спланированных экспериментов показали, что при превращении эмбриональных ХY-гонад в семенники Fgf9 и Sox9 усиливают сигнальные эффекты друг друга. Оказалось также, что при удалении гена Fgf9 мужские гонады с ХY-генотипом меняют пол и активируют гены, ответственные за формирование яичников. Однако самым поразительным открытием стал тот факт, что активация обоих белков, Sox9 и Fgf9, резко усиливается в женских ХХ-гонадах в отсутствие гена Wnt4. Это однозначно демонстрирует, каким образом в генетически женском ХХ-организме может произойти активация механизма формирования мужских половых органов при полном отсутствии гена Sry, как это, по всей видимости, происходило у упомянутых выше мужчин с женским ХХ-генотипом.
На основании полученных результатов мы предложили новую модель определения пола у млекопитающих. Как в ХХ, так и в ХY зародышевых гонадах на ранних этапах развития, когда пол половой железы еще не определен, одновременно экспрессированы гены Fgf9, Sox9 и Wnt4. В ХХ-гонадах доминирует белок Wnt4, блокирующий механизм развития семенников. В то же время в ХY-гонадах, благодаря действию белка SRY, доминирует пара Sox9 и Fgf9, что приводит к подавлению активности Wnt4.
Представители животного царства пользуются различными средствами, определяющими выбор пола потомства и, в некоторых случаях, взрослых особей, от плотности популяции и поведенческих сигналов у рыб до температуры окружающей среды у черепах, аллигаторов и других рептилий и гормональных влияний у многих видов яйцекладущих. Однако, несомненно, хотя бы один основополагающий этап такого важного процесса как определение пола, на каком-то из этапов должен быть универсальным для всех животных.
Я и другие специалисты начали высказывать предположение, что, несмотря на разнообразие генов, управляющих определением пола у различных видов, универсальной является базовая модель антагонистических сигналов, подобных наблюдаемым нами у мышей Fgf9 и Wnt4. Такой фундаментальный механизм вполне может реагировать как на генетический «переключатель» (Sry у млекопитающих), так и на условия окружающей среды (температура у черепах) до тех пор, пока исходное решение подкрепляется и усиливается различными процессами, направляющими развитие всех клеток развивающейся железы в нужном направлении.
В качестве следующего объекта исследования мы выбрали красноухую водяную черепаху, пол потомства которой определяется в зависимости от температуры окружающей среды. Инкубация яиц этой черепахи при температуре 26 градусов по Цельсию приводит к появлению детенышей исключительно мужского пола, тогда как при температуре 31 градус на свет появляются только самки черепахи. (При промежуточных значениях температуры инкубации соотношение полов детенышей меняется.) Для изучения клеточных механизмов развития семенных желез и яичников у зародышей черепах мы вернулись к нашим старым методам органных культур.
Эта работа навела нас на мысль о том, что открытая нами антагонистическая система сигналов является лишь вершиной айсберга и что нам следует посвятить свою работу не отдельным генам, а функционированию всей сложной системы сигналов, обеспечивающих определение пола и развитие гонад. Мы возлагаем большие надежды на наш новый проект и планируем задействовать множество новых методик и вычислительных методов системной биологии.
Наше понимание полового развития меняется одновременно с улучшением нашей способности тестировать и оценивать процесс. На сегодняшний день мы только начали понимать генетические и клеточные процессы, оказывающие влияние на начальные стадии дифференцировки гонад. Последующие воздействия гормонов, окружающей среды и нервной системы также играют критические роли в окончательной идентификации индивида как «мужчины» или «женщины».
Из-за исключительной сложности вопроса тесты для выявления белка Sry, используемые многими спортивными организациями для получения окончательного решения по поводу определения пола участников соревнования, выглядят весьма упрощенческими. Кроме всего прочего, такая оценка исключает существование категории для квалифицированных индивидуумов, обладающих той или иной комбинацией мужских и женских признаков. В то же время, такие индивидуумы также обладают определенным спектром способностей. Что касается Кастер Семеня, очень жаль, что такое выдающееся достижение омрачено обвинениями, обусловленных скорее ее несоответствием западным стандартам женской привлекательности, чем преднамеренной дезинформацией по поводу ее половой принадлежности.
Перевод: Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам The Scientist: Choosing Sex.
29.09.2009