Эмбриональная диапауза [а] ( задержка имплантации у млекопитающих) — репродуктивная стратегия, используемая рядом видов животных в различных биологических классах . У более чем 130 видов млекопитающих , у которых это происходит, процесс происходит на стадии бластоцисты эмбрионального развития , [1] и характеризуется резким снижением или полным прекращением митотической активности , останавливаясь чаще всего в фазе G 0 или G 1 деления. [2]
При плацентарной эмбриональной диапаузе бластоциста не сразу имплантируется в матку после того, как половое размножение привело к образованию зиготы , а остается в этом неделящемся состоянии покоя до тех пор, пока условия не позволят нормальному прикреплению к стенке матки. [3] В результате нормальный период беременности продлевается на время, специфичное для вида. [4] [5]
Диапауза обеспечивает потомству преимущество в плане выживания, поскольку рождение или появление детенышей можно приурочить к наиболее благоприятным условиям, независимо от того, когда происходит спаривание или какова продолжительность беременности; любое такое повышение выживаемости потомства дает эволюционное преимущество.
Организмы, которые подвергаются эмбриональной диапаузе, способны синхронизировать рождение потомства с наиболее благоприятными условиями для репродуктивного успеха, независимо от того, когда произошло спаривание. [3] Многие различные факторы могут вызывать эмбриональную диапаузу, такие как время года, температура, лактация и запас пищи. [3]
Эмбриональная диапауза — относительно широко распространенное явление за пределами млекопитающих, известное как явление в репродуктивных циклах многих насекомых, нематод, рыб и других позвоночных, не относящихся к млекопитающим. [6] Оно наблюдалось примерно у 130 видов млекопитающих, [7] что составляет менее двух процентов от всех видов млекопитающих. [8] К ним относятся некоторые грызуны , медведи , броненосцы , куньи (например, ласки и барсуки ) и сумчатые (например, кенгуру ). В некоторых группах есть только один вид, который подвергается эмбриональной диапаузе, например, косуля в отряде парнокопытных . [5]
Экспериментальная индукция эмбрионального прерывистого развития в пределах видов, которые не подвергаются спонтанной эмбриональной диапаузе в природе, была достигнута; была успешно продемонстрирована обратимая остановка развития. Это может быть доказательством эволюционной значимости этого явления, поскольку скрытая способность к диапаузе потенциально присутствует в гораздо более широком сегменте видов, чем известно, что встречается в природе. [8] [9]
Все многоклеточные организмы с момента своего зачатия начинаются с небольшого числа клеток и растут и развиваются только по мере деления этих клеток. У организмов, способных к эмбриональной диапаузе, в неидеальных репродуктивных условиях происходит прекращение клеточного деления, что не позволяет эмбриону расти и созревать, задерживая созревание эмбриона до тех пор, пока условия не станут достаточно идеальными для выживания потомства, а в некоторых случаях и матери.
Регуляция клеточного цикла, связанная с эмбриональной диапаузой, была связана с геном dacapo у плодовой мушки, ответственным за подавление образования комплексов циклин E-cdk2, необходимых для синтеза ДНК. Также имеются данные, указывающие на повышение регуляции гена транслокации B-клеток 1 (Btg1) у эмбриона мыши во время диапаузы, другого известного регулятора клеточного цикла, ответственного за подавление перехода из G 0 /G 1 . Другие исследования продемонстрировали, наоборот, отсутствие участия более распространенных регуляторов клеточного цикла, таких как p53, в плацентарной модели эмбриональной диапаузы. [2] Хотя большая часть молекулярной регуляции, участвующей в активации спящих бластоцист , была охарактеризована, мало широко применимых характеристик доступно относительно входа в диапаузу и условий, которые позволяют бластоцисте оставаться спящей. После того, как эмбрион выходит из состояния диапаузы и возобновляет регулярное развитие, никаких неблагоприятных эффектов не наблюдается. [10]
В частности, в плацентарной эмбриональной диапаузе это прекращение вызвано преднамеренной неудачей бластоцисты в имплантации в стенку матки, что является важным компонентом в развитии этих видов. [11] Гормоны, связанные с неудачной имплантацией, также способствуют остановке эмбриона. [9]
Существуют две различные формы эмбриональной диапаузы, характеризующиеся разными условиями начала. Факультативная диапауза возникает в ответ на определенные экологические или метаболические стрессоры, такие как резкие изменения температуры, кормления или лактации. [10] Облигатная диапауза регулярно происходит в репродуктивном цикле пораженных видов и часто связана с сезонными изменениями и фотопериодом. [10]
Факультативная диапауза регулируется несколькими факторами, включая материнскую среду и способность яичников функционировать, гипофиз, а также метаболический стресс и лактацию. [2]
Что касается многих других регуляторов этой формы диапаузы, у плацентарных млекопитающих факультативная диапауза чаще всего является результатом оплодотворения вскоре после рождения предыдущего помета. Последующее сосание детенышей во время лактации способствует выделению пролактина . Это, в свою очередь, снижает секрецию прогестерона из желтого тела у беременной самки. Желтое тело является временным эндокринным органом , который формируется из оставшихся клеток из фолликула яичника в яичнике после того, как он выпустил зрелую яйцеклетку . Основная функция желтого тела заключается в секреции прогестерона во время беременности для поддержания необходимой среды матки . Пролактин, действующий на желтое тело, приводит к тому, что уровень прогестерона становится ниже оптимальной концентрации и, следовательно, вызывает эмбриональную факультативную диапаузу.
Каждый вид , который подвергается факультативной диапаузе, имеет тенденцию иметь определенную стадию развития , которая генетически детерминирована, на которой этот процесс инициируется. Эта форма диапаузы наиболее хорошо изучена у грызунов и сумчатых [2], но была выявлена у многих других видов, включая немлекопитающих. Неясно, насколько хорошо механизмы, изученные для начала, поддержания и выхода из факультативной диапаузы в модели грызунов, применимы к этим другим видам.
Облигатная (прил.: вынужденная) диапауза (также известная как сезонная отсроченная имплантация) — это механизм, гарантирующий, что рождение потомства происходит в оптимальных условиях окружающей среды, чтобы гарантировать максимальное выживание. [12] [9] Предлагаемый механизм заключается в разделении зачатия и родов (рождения) таким образом, чтобы каждое из них могло происходить в наиболее благоприятное время года. [9]
Облигатная диапауза активируется и деактивируется изменениями количества световых часов в течение дня (фотопериод) и, следовательно, происходит в течение определенных сезонов. [10] Хотя облигатная диапауза встречается у различных видов в разных группах, существуют значительные различия в продолжительности диапаузы. У западных пятнистых скунсов ( Spilogale gracilis ) диапауза составляет около 200 дней, в то время как у американских норок ( Neogale vison ) диапауза составляет всего около четырнадцати дней. [10]
Подобно факультативной диапаузе, ряд гормональных изменений останавливает развитие бластоцисты до имплантации , предотвращая дальнейший рост эмбриона. Однако при обязательной диапаузе бластоциста должна входить в состояние покоя в каждом репродуктивном сезоне. Это означает, что каждая бластоциста, произведенная матерью, должна входить в период диапаузы. [10]
Тесное регулирование обязательной диапаузы необходимо для выживания матери и потомства. Преждевременная диапауза может привести к потере роста и возможностей размножения, а поздняя диапауза может привести к смерти из-за неблагоприятных условий. [13]
До весеннего равноденствия [b] фотопериод составляет менее 12 часов. Это увеличивает выработку мелатонина в шишковидной железе . Из-за ингибирующей связи между мелатонином и пролактином , это увеличение мелатонина снижает секрецию пролактина из гипофиза . Уменьшение пролактина, следовательно, снижает выработку прогестерона в желтом теле , предотвращая развитие бластоцисты. Это вызывает эмбриональную диапаузу. [10]
После весеннего равноденствия фотопериод превышает 12 часов. Это снижает выработку мелатонина в шишковидной железе и, следовательно, увеличивает выработку пролактина и прогестерона в гипофизе и желтом теле соответственно. [10]
Увеличение пролактина вызывает экспрессию гена Odc ( орнитиндекарбоксилаза ). Ген Odc производит белок ODC, фермент, ограничивающий скорость производства полиамина , путресцина , в среде матки . Присутствие путресцина может указывать на роль в индукции выхода эмбриона из облигатной диапаузы. [10]
Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) обладают потенциалом для дальнейшего изучения механизмов, контролирующих эмбриональную диапаузу. [13] Это связано с тем, что ЭСК и диапаузирующие бластоцисты имеют очень похожие профили транскриптома. [13] ЭСК происходят из недифференцированных клеток внутренней массы бластоцист эмбриона — со способностью к непрерывной пролиферации in vitro. [13] ЭСК в основном происходят из мышиных моделей, в точке, где ЭСК находятся на оптимальной эффективности и способны входить в диапаузу. [3]
Как диапаузирующие бластоцисты, так и эмбриональные стволовые клетки имеют сходство профилей транскриптома, включая подавление метаболизма , биосинтеза и путей экспрессии генов . [3] Эти сходства позволяют использовать эмбриональные стволовые клетки в качестве клеточной модели для идентификации молекулярных факторов, которые регулируют эмбриональную диапаузу. [13]