Эмбриональная диапауза [а] ( отсроченная имплантация у млекопитающих) — это репродуктивная стратегия, используемая рядом видов животных разных биологических классов . У более чем 130 видов млекопитающих , у которых это имеет место , процесс протекает на стадии бластоцисты эмбрионального развития [1] и характеризуется резким снижением или полным прекращением митотической активности , купирующейся чаще всего в G 0 или G 1 фаза деления. [2]
При плацентарно-эмбриональной диапаузе бластоциста не имплантируется в матку сразу после того, как половое размножение привело к образованию зиготы , а скорее остается в этом неделящемся состоянии покоя до тех пор, пока условия не позволят прикрепляться к стенке матки происходить как обычно. [3] В результате нормальный период беременности продлевается на видоспецифическое время. [4] [5]
Диапауза дает потомству преимущество в выживании, поскольку рождение или появление детенышей можно приурочить к наиболее благоприятным условиям, независимо от того, когда происходит спаривание или продолжительность беременности; любое такое увеличение выживаемости потомства дает эволюционное преимущество.
Организмы, переживающие эмбриональную диапаузу, способны синхронизировать рождение потомства с наиболее благоприятными условиями для репродуктивного успеха, независимо от того, когда происходило спаривание. [3] Эмбриональную диапаузу могут вызвать множество различных факторов, таких как время года, температура, лактация и наличие пищи. [3]
Эмбриональная диапауза — относительно широко распространенное явление за пределами млекопитающих; известно, что она встречается в репродуктивных циклах многих насекомых, нематод, рыб и других позвоночных, не относящихся к млекопитающим. [6] Это наблюдалось примерно у 130 видов млекопитающих, [7] что составляет менее двух процентов 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 из отряда парнокопытных . [5]
Была достигнута экспериментальная индукция прерывистого эмбрионального развития у видов, которые в природе не подвергаются спонтанной эмбриональной диапаузе; была успешно продемонстрирована обратимая задержка развития. Это может быть свидетельством эволюционного значения этого явления, поскольку скрытая способность к диапаузе потенциально присутствует у гораздо более широкого сегмента видов, чем та, которая, как известно, встречается в природе. [8] [9]
Все многоклеточные организмы, по их замыслу, начинаются с небольшого количества клеток и растут и развиваются только по мере деления этих клеток. У организмов, способных к эмбриональной диапаузе, в неидеальных репродуктивных условиях происходит прекращение деления клеток, что препятствует росту и созреванию эмбриона, задерживая созревание эмбриона до тех пор, пока условия не станут достаточно идеальными, чтобы способствовать выживанию потомства. , а в некоторых случаях и мать.
Регуляция клеточного цикла, связанная с эмбриональной диапаузой, связана с геном дакапо у плодовой мушки, ответственным за ингибирование образования комплексов циклин E-cdk2, необходимых для синтеза ДНК. Имеются также доказательства, указывающие на активацию гена 1 транслокации В-клеток (Btg1) у эмбрионов мышей во время диапаузы, другого известного регулятора клеточного цикла, ответственного за ингибирование перехода от G 0 /G 1 . Другие исследования, наоборот, продемонстрировали отсутствие участия более распространенных регуляторов клеточного цикла, таких как р53, в плацентарной модели эмбриональной диапаузы. [2] Хотя большая часть молекулярной регуляции, участвующей в активации спящих бластоцист , охарактеризована, мало широко применимых характеристик доступно в отношении вступления в диапаузу и условий, которые позволяют бластоцисте оставаться в спящем состоянии. Как только эмбрион выходит из состояния диапаузы и возобновляет нормальное развитие, никаких побочных эффектов не наблюдается. [10]
В частности, в плацентарно-эмбриональной диапаузе это прекращение вызвано преднамеренной неспособностью бластоцисты имплантироваться в стенку матки, что является важным компонентом развития у этих видов. [11] Гормоны, связанные с неудачной имплантацией, также способствуют остановке эмбрионального развития. [9]
Существуют две различные формы эмбриональной диапаузы, характеризующиеся разными условиями возникновения. Факультативная диапауза возникает в ответ на определенные факторы окружающей среды или метаболические стрессоры, такие как резкие изменения температуры, кормление или лактация. [10] Облигатная диапауза регулярно возникает в репродуктивном цикле пораженных видов и часто связана с сезонными изменениями и фотопериодом. [10]
Факультативная диапауза регулируется несколькими факторами, включая материнское окружение и работоспособность яичников, гипофиз, 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 кормление детенышей грудью во время лактации способствует высвобождению пролактина . Это, в свою очередь, снижает секрецию прогестерона желтым телом у беременной женщины. Желтое тело является временным эндокринным органом , который формируется из остатков клеток фолликула яичника после выхода зрелой яйцеклетки . Основная функция желтого тела — секреция прогестерона во время беременности для поддержания необходимой среды матки . Пролактин, воздействуя на желтое тело, приводит к снижению уровня прогестерона ниже оптимальной концентрации и, следовательно, вызывает эмбриональную факультативную диапаузу.
Каждый вид , подвергающийся факультативной диапаузе, имеет тенденцию иметь определенную генетически детерминированную стадию развития , на которой инициируется этот процесс. Эта форма диапаузы наиболее хорошо изучена у грызунов и сумчатых [2] , но выявлена и у многих других видов, в том числе немлекопитающих. Неясно, насколько хорошо механизмы, изученные для начала, поддержания и выхода из факультативной диапаузы на модели грызунов, применимы к этим другим видам.
Облигатная (прил.: по необходимости) диапауза (она же сезонная отсроченная имплантация) — это механизм, обеспечивающий приурочивание рождения потомства к оптимальным условиям окружающей среды, чтобы обеспечить максимальную выживаемость. [12] [9] Предлагаемый механизм заключается в разделении зачатия и родов (рождений), чтобы каждое из них могло произойти в наиболее благоприятное время года. [9]
Облигатная диапауза активируется и деактивируется изменением количества световых часов в течение суток (фотопериод) и, следовательно, происходит в определенные времена года. [10] Хотя облигатная диапауза встречается у многих видов в разных группах, существуют значительные различия в продолжительности диапаузы. У западных пятнистых скунсов ( Spilogale gracilis ) диапауза составляет около 200 дней, тогда 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 облигатной диапаузе бластоциста в каждом репродуктивном сезоне переходит в состояние покоя. Это означает, что каждая бластоциста, которую производит мать, вступает в период диапаузы. [10]
Тщательная регуляция облигатной диапаузы необходима для выживания матери и потомства. Преждевременная диапауза может привести к потере возможностей роста и размножения, а поздняя диапауза может привести к гибели из-за неблагоприятных условий. [13]
До весеннего равноденствия фотопериод составляет менее 12 часов. Это увеличивает выработку мелатонина в шишковидной железе . Из-за ингибирующих связей между мелатонином и пролактином это увеличение уровня мелатонина снижает секрецию пролактина гипофизом . Снижение уровня 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 индуцирует экспрессию гена Odc ( орнитиндекарбоксилазы ). Ген Odc продуцирует белок ODC, фермент , ограничивающий скорость производства полиамина путресцина в среде матки . Присутствие путресцина может указывать на его роль в индукции выхода эмбриона из облигатной диапаузы. [10]
Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) могут позволить глубже понять механизмы, контролирующие эмбриональную диапаузу. [13] Это связано с тем, что ЭСК и диапаузирующие бластоцисты имеют очень схожие профили транскриптома. [13] ЭСК происходят из недифференцированных клеток внутренней массы бластоцисты эмбриона – со способностью к постоянной пролиферации in vitro. [13] ЭСК в основном получают из моделей мышей, в тот момент, когда ЭСК достигают оптимальной эффективности и способны входить в диапаузу. [3]
И диапаузирующие бластоцисты, и ЭСК имеют сходство профиля транскриптома, включая подавление метаболизма , биосинтеза и путей экспрессии генов . [3] Эти сходства позволяют использовать ЭСК в качестве клеточной модели для идентификации молекулярных факторов, которые регулируют эмбриональную диапаузу. [13]