Партеногенез ( / ˌ p ɑːr θ ɪ n oʊ ˈ dʒ ɛ n ɪ s ɪ s , - θ ɪ n ə - / ; [1] [2] от греч. παρθένος , parthénos , «девственница» + γένεσις , génesis , «создание» [3] ) — естественная форма бесполого размножения , при которой эмбрион развивается непосредственно из яйца без необходимости оплодотворения . У животных партеногенез означает развитие эмбриона из неоплодотворенной яйцеклетки . У растений партеногенез является составной частью процесса апомиксиса . У водорослей партеногенез может означать развитие эмбриона либо из отдельного сперматозоида, либо из отдельного яйца.
Партеногенез встречается в природе у некоторых растений, водорослей , беспозвоночных животных (включая нематод , некоторых тихоходок , водяных блох , некоторых скорпионов , тлей , некоторых клещей, некоторых пчел , некоторых призрачных насекомых и паразитических ос ) и некоторых позвоночных , таких как некоторые рыбы , амфибии и рептилии . Этот тип размножения был искусственно вызван у видов животных, которые естественным образом размножаются половым путем, включая рыб, амфибий и мышей.
Нормальные яйцеклетки образуются в процессе мейоза и являются гаплоидными , с половиной числа хромосом , чем у клеток тела их матери. Гаплоидные особи, однако, обычно нежизнеспособны, и партеногенетическое потомство обычно имеет диплоидное число хромосом. В зависимости от механизма, участвующего в восстановлении диплоидного числа хромосом, партеногенетическое потомство может иметь где-то между всеми и половиной аллелей матери . В некоторых типах партеногенеза потомство, имеющее весь генетический материал матери, называется полными клонами , а имеющее только половину, называется полуклонами. Полные клоны обычно образуются без мейоза. Если происходит мейоз, потомство получает только часть аллелей матери, поскольку кроссинговер ДНК происходит во время мейоза, создавая вариации .
Партеногенетическое потомство у видов, использующих либо систему определения пола XY , либо X0 , имеет две X-хромосомы и является самкой. У видов, использующих систему определения пола ZW , у них есть либо две Z-хромосомы (самцы), либо две W-хромосомы (в основном нежизнеспособные, но редко самки), или у них может быть одна Z-хромосома и одна W-хромосома (самки).
Партеногенез — это форма бесполого размножения , при которой эмбрион развивается непосредственно из яйца без необходимости оплодотворения . [4] [5] Это встречается в природе у некоторых растений, водорослей , беспозвоночных животных (включая нематод , некоторых тихоходок , водяных блох , некоторых скорпионов , тлей , некоторых клещей, некоторых пчел , некоторых призрачных насекомых и паразитических ос ), а также у некоторых позвоночных , таких как некоторые рыбы , амфибии , рептилии , [6] [7] [8] и птицы . [9] [10] [11] Этот тип размножения был искусственно вызван у ряда видов животных, которые естественным образом размножаются половым путем, включая рыб, амфибий и мышей. [12] [13]
Некоторые виды размножаются исключительно партеногенезом (например, бделлоидные коловратки ), в то время как другие могут переключаться между половым размножением и партеногенезом. Это называется факультативным партеногенезом (другие термины — циклический партеногенез, гетерогамия [14] [15] или гетерогония [16] [17] ). Переключение между сексуальностью и партеногенезом у таких видов может быть вызвано сезоном ( тля , некоторые орехотворки ), или недостатком самцов, или условиями, которые способствуют быстрому росту популяции ( коловратки и ветвистоусые рачки, такие как дафнии ). У этих видов бесполое размножение происходит либо летом (тля), либо до тех пор, пока условия благоприятны. Это связано с тем, что при бесполом размножении успешный генотип может быстро распространяться, не изменяясь полом или не тратя ресурсы на потомство мужского пола, которое не будет рожать. Некоторые виды могут производить потомство как половым путем, так и через партеногенез, и потомство в одной и той же кладке вида тропической ящерицы может быть смесью потомства, произведенного половым путем, и потомства, произведенного партеногенетически. [18] У калифорнийских кондоров факультативный партеногенез может происходить даже тогда, когда присутствует самец, доступный для размножения самкой. [19] Во время стресса потомство, произведенное половым путем, может быть более приспособленным, поскольку у него есть новые, возможно, полезные комбинации генов. Кроме того, половое размножение обеспечивает преимущество мейотической рекомбинации между не- сестринскими хромосомами , процесс, связанный с восстановлением двухцепочечных разрывов ДНК и других повреждений ДНК, которые могут быть вызваны стрессовыми условиями. [20]
Многие таксоны с гетерогонией имеют внутри себя виды, которые утратили половую фазу и теперь полностью бесполы. Многие другие случаи обязательного партеногенеза (или гиногенеза) обнаружены среди полиплоидов и гибридов, где хромосомы не могут спариваться для мейоза. [ необходима цитата ]
Производство женского потомства путем партеногенеза называется телитокией (например, тли), а производство мужского потомства путем партеногенеза называется арренотокией (например, пчелы). Когда неоплодотворенные яйца развиваются как в самцов, так и в самок, это явление называется дейтеротокией. [21]
Партеногенез может происходить без мейоза через митотический оогенез. Это называется апомиктический партеногенез . Зрелые яйцеклетки производятся митотическими делениями, и эти клетки напрямую развиваются в эмбрионы. У цветковых растений клетки гаметофита могут проходить этот процесс. Потомство, произведенное апомиктическим партеногенезом, является полными клонами своей матери, как у тлей. [ необходима цитата ]
Партеногенез с участием мейоза более сложен. В некоторых случаях потомство гаплоидно (например, самцы муравьев ). В других случаях, которые в совокупности называются аутомиктическим партеногенезом , плоидность восстанавливается до диплоидности различными способами. Это происходит потому, что гаплоидные особи нежизнеспособны у большинства видов. При аутомиктическом партеногенезе потомство отличается друг от друга и от своей матери. Их называют полуклонами своей матери. [ необходима цитата ]
Аутомиксис включает в себя несколько репродуктивных механизмов, некоторые из которых являются партеногенетическими. [22] [23]
Диплоидию можно восстановить путем удвоения хромосом без деления клеток до начала мейоза или после его завершения. Это эндомитотический цикл. Диплоидию также можно восстановить путем слияния первых двух бластомеров или путем слияния продуктов мейоза. Хромосомы могут не разделиться в одной из двух анафаз (реституционный мейоз)l; или полученные ядра могут слиться; или одно из полярных тел может слиться с яйцеклеткой на какой-то стадии ее созревания. [ необходима цитата ]
Некоторые авторы считают все формы аутомиксиса половыми, поскольку они включают рекомбинацию. Многие другие классифицируют эндомитотические варианты как бесполые и считают полученные эмбрионы партеногенетическими. Среди этих авторов порог классификации аутомиксиса как полового процесса зависит от того, когда соединяются продукты анафазы I или анафазы II. Критерий полового размножения варьируется от всех случаев реституционного мейоза [24] до тех, где ядра сливаются, или только тех, где гаметы являются зрелыми во время слияния. [23] Те случаи аутомиксиса, которые классифицируются как половое размножение, сравниваются с самооплодотворением по их механизму и последствиям. [ необходима цитата ]
Генетический состав потомства зависит от того, какой тип аутомиксиса имеет место. Когда эндомитоз происходит до мейоза [25] [26] или когда происходит центральное слияние (реституционный мейоз анафазы I или слияние его продуктов), потомство получает весь [25] [27] более чем половину генетического материала матери, и гетерозиготность в основном сохраняется [28] (если у матери есть два аллеля для локуса, то, вероятно, потомство получит оба). Это происходит потому, что в анафазе I гомологичные хромосомы разделяются. Гетерозиготность не полностью сохраняется, когда кроссинговер происходит при центральном слиянии. [29] В случае премейотического удвоения рекомбинация, если она происходит, происходит между идентичными сестринскими хроматидами. [25]
Если происходит терминальное слияние (реституционный мейоз анафазы II или слияние его продуктов), то в потомстве присутствует чуть более половины генетического материала матери, и потомство в основном гомозиготно. [30] Это происходит потому, что в анафазе II сестринские хроматиды разделяются, и любая присутствующая гетерозиготность обусловлена кроссинговером. В случае эндомитоза после мейоза потомство полностью гомозиготно и имеет только половину генетического материала матери. [ необходима цитата ] Это может привести к тому, что партеногенетическое потомство будет уникальным как друг для друга, так и для своей матери. [ необходима цитата ]
При апомиктическом партеногенезе потомство является клонами матери и, следовательно (за исключением тлей), обычно является самками. В случае тлей партеногенетически произведенные самцы и самки являются клонами своей матери, за исключением того, что у самцов отсутствует одна из X-хромосом (XO). [31]
Когда задействован мейоз, пол потомства зависит от типа системы определения пола и типа апомиксиса. У видов, которые используют систему определения пола XY , партеногенетическое потомство имеет две X-хромосомы и является самками. У видов, которые используют систему определения пола ZW , генотип потомства может быть одним из ZW (самка), [27] [28] ZZ (самец) или WW (нежизнеспособный у большинства видов, [30] но плодовитый, [ сомнительный – обсудите ] жизнеспособный самец у некоторых, например, удавов ). [30] Потомство ZW получается путем эндорепликации перед мейозом или путем центрального слияния. [27] [28] Потомство ZZ и WW появляется либо путем терминального слияния [30] , либо путем эндомитоза в яйцеклетке. [ требуется ссылка ]
У полиплоидных облигатных партеногенов, таких как ящерица-хлыстохвост, все потомство — самки. [26]
У многих перепончатокрылых насекомых, таких как медоносные пчелы, женские яйца производятся половым путем, используя сперму отца-трутня, в то время как производство дальнейших трутней (самцов) зависит от королевы (и иногда рабочих), производящих неоплодотворенные яйца. Это означает, что самки (рабочие и королевы) всегда диплоидны, в то время как самцы (трутни) всегда гаплоидны и производятся партеногенетически. [ необходима цитата ]
Факультативный партеногенез происходит, когда самка может производить потомство либо половым путем, либо посредством бесполого размножения. [32] Факультативный партеногенез чрезвычайно редок в природе, и только несколько примеров таксонов животных способны к факультативному партеногенезу. [32] Одним из наиболее известных примеров таксонов, демонстрирующих факультативный партеногенез, являются поденки ; предположительно, это стандартный способ размножения всех видов в этом отряде насекомых. [33] Обычно считалось, что факультативный партеногенез является ответом на отсутствие жизнеспособного самца. Самка может подвергаться факультативному партеногенезу, если самец отсутствует в среде обитания или если она неспособна произвести жизнеспособное потомство. Однако калифорнийские кондоры и тропическая ящерица Lepidophyma smithii могут производить партеногенетическое потомство в присутствии самцов, что указывает на то, что факультативный партеногенез может быть более распространенным, чем считалось ранее, и не является просто ответом на отсутствие самцов. [18] [10]
У тлей поколение, зачатое половым путем самцом и самкой, производит только самок. Причиной этого является неслучайное разделение половых хромосом «X» и «O» во время сперматогенеза . [34]
Факультативный партеногенез часто используется для описания случаев спонтанного партеногенеза у нормально половых животных. [35] Например, многие случаи спонтанного партеногенеза у акул , некоторых змей , драконов Комодо и различных одомашненных птиц были широко приписаны факультативному партеногенезу. [36] Эти случаи являются примерами спонтанного партеногенеза. [32] [35] Возникновение таких бесполо произведенных яиц у половых животных можно объяснить мейотической ошибкой, приводящей к яйцам, произведенным посредством аутомиксиса . [35] [37]
Облигатный партеногенез — это процесс, при котором организмы размножаются исключительно бесполым путем. [38] Многие виды перешли к облигатному партеногенезу в течение эволюционного времени. Хорошо задокументированные переходы к облигатному партеногенезу были обнаружены во многих таксонах метазойных животных, хотя и с помощью весьма разнообразных механизмов. Эти переходы часто происходят в результате инбридинга или мутации в больших популяциях. [39] Некоторые задокументированные виды, в частности саламандры и гекконы, полагаются на облигатный партеногенез как на основной метод размножения. Таким образом, в природе существует более 80 видов однополых рептилий (в основном ящериц, но включая один вид змей), амфибий и рыб, у которых самцы больше не являются частью репродуктивного процесса. [40] Самка производит яйцеклетку с полным набором (два набора генов), предоставленным исключительно матерью. Таким образом, самцу не нужно предоставлять сперму для оплодотворения яйцеклетки. Считается, что эта форма бесполого размножения в некоторых случаях представляет серьезную угрозу биоразнообразию из-за последующего отсутствия генной изменчивости и потенциального снижения приспособленности потомства. [38]
Некоторые виды беспозвоночных, которые имеют (частичное) половое размножение в своем естественном ареале, как обнаружено, размножаются исключительно партеногенезом в областях, куда они были интродуцированы . [41] [42] Использование исключительно партеногенетического размножения имеет несколько преимуществ для инвазивного вида : оно устраняет необходимость для особей в очень редкой изначальной популяции искать партнеров; и исключительно женское половое распределение позволяет популяции размножаться и вторгаться быстрее (потенциально в два раза быстрее). Примерами служат несколько видов тлей [41] и ивовый пилильщик Nematus oligospilus , который является половым в своей родной голарктической среде обитания, но партеногенетическим там, где он был интродуцирован в Южное полушарие. [42]
Партеногенез не применяется к изогамным видам. [43] Партеногенез встречается в природе у тлей , дафний , коловраток , нематод и некоторых других беспозвоночных, а также у многих растений. Среди позвоночных строгий партеногенез известен только у ящериц, змей, [44] птиц, [45] и акул. [46] Рыбы, амфибии и рептилии используют различные формы гиногенеза и гибридогенеза (неполная форма партеногенеза). [47] Первое полностью женское (однополое) размножение у позвоночных было описано у рыбы Poecilia formosa в 1932 году. [48] С тех пор было описано не менее 50 видов однополых позвоночных, включая не менее 20 рыб, 25 ящериц, один вид змей, лягушек и саламандр. [47]
Использование электрического или химического стимула может вызвать начало процесса партеногенеза при бесполом развитии жизнеспособного потомства. [49]
Во время развития ооцита высокая активность фактора, способствующего метафазе (MPF), заставляет ооциты млекопитающих останавливаться на стадии метафазы II до оплодотворения сперматозоидом. Событие оплодотворения вызывает внутриклеточные колебания кальция и направленную деградацию циклина B, регуляторной субъединицы MPF, тем самым позволяя ооциту, задержанному MII, пройти через мейоз. [50] [51] Для инициирования партеногенеза ооцитов свиней существуют различные методы, позволяющие вызвать искусственную активацию, имитирующую проникновение сперматозоида, такие как обработка кальциевым ионофором, микроинъекция ионов кальция или электрическая стимуляция. Обработка циклогексимидом, неспецифическим ингибитором синтеза белка, усиливает развитие партенота у свиней, предположительно, за счет постоянного ингибирования MPF/циклина B. [51] По мере развития мейоза выталкивание второго полюса блокируется воздействием цитохалазина B. Эта обработка приводит к диплоидному (2 материнских генома) партеноту [50] Партеноты можно хирургическим путем перенести в яйцевод реципиента для дальнейшего развития, но они погибнут из-за нарушения развития после ≈30 дней беременности. Плаценты партенота свиньи часто кажутся гиповаскулярными: см. бесплатное изображение (Рисунок 1) в связанной ссылке. [50]
Индуцированный партеногенез у мышей и обезьян часто приводит к аномальному развитию. Это происходит потому, что у млекопитающих есть импринтированные генетические регионы, где либо материнская, либо отцовская хромосома инактивируется у потомства для нормального развития. У млекопитающего, созданного партеногенезом, будут двойные дозы материнских импринтированных генов и не будет отцовских импринтированных генов, что приведет к аномалиям развития. Было высказано предположение, что дефекты плацентарной складчатости или интердигитации являются одной из причин абортивного развития партенота у свиней. [50] Как следствие, исследования партеногенеза человека сосредоточены на производстве эмбриональных стволовых клеток для использования в лечении, а не в качестве репродуктивной стратегии. В 2022 году исследователи сообщили, что они добились партеногенеза у мышей для жизнеспособного потомства, рожденного из неоплодотворенных яйцеклеток, решая проблемы геномного импринтинга путем «целевого переписывания метилирования ДНК семи контрольных регионов импринтинга». [13]
В 1955 году Хелен Спервэй , генетик, специализирующийся на репродуктивной биологии гуппи ( Lebistes reticulatus ), заявила, что партеногенез может происходить (хотя и очень редко) у людей, что приводит к так называемым «девственным родам». Это вызвало некоторую сенсацию среди ее коллег и широкой общественности. [52] Иногда эмбрион может начать делиться без оплодотворения, но он не может полностью развиться сам по себе; поэтому, хотя он может создавать некоторые кожные и нервные клетки, он не может создавать другие (например, скелетные мышцы) и становится типом доброкачественной опухоли, называемой тератомой яичника . [53] Спонтанная активация яичников не является редкостью и известна с 19 века. Некоторые тератомы могут даже стать примитивными плодами (фетиформная тератома) с несовершенными головами, конечностями и другими структурами, но они нежизнеспособны. [ требуется ссылка ]
В 1995 году был зарегистрирован случай частичного партеногенеза у человека; было обнаружено, что у мальчика некоторые из его клеток (например, лейкоциты ) не имели никакого генетического содержания от его отца. Ученые полагают, что неоплодотворенная яйцеклетка начала самоделиться, но затем некоторые (но не все) ее клетки были оплодотворены сперматозоидом; это должно было произойти на ранней стадии развития, так как самоактивированные яйцеклетки быстро теряют способность к оплодотворению. Неоплодотворенные клетки в конечном итоге удвоили свою ДНК, увеличив число хромосом до 46. Когда неоплодотворенные клетки столкнулись с блоком развития, оплодотворенные клетки взяли верх и развили эту ткань. У мальчика были асимметричные черты лица и трудности в обучении, но в остальном он был здоров. Это сделало бы его партеногенетической химерой (ребенком с двумя клеточными линиями в своем теле). [54] Хотя с тех пор было зарегистрировано более дюжины подобных случаев (обычно обнаруживаемых после того, как у пациента проявлялись клинические отклонения), не было ни одного научно подтвержденного сообщения о нехимерном, клинически здоровом человеческом партеноте (т.е. полученном из одного партеногенетически активированного ооцита). [53]
В 2007 году Международная корпорация стволовых клеток Калифорнии объявила, что Елена Ревазова намеренно создала человеческие стволовые клетки из неоплодотворенных человеческих яйцеклеток с помощью партеногенеза. Этот процесс может предложить способ создания стволовых клеток, генетически соответствующих конкретной женщине, для лечения дегенеративных заболеваний. В том же году Ревазова и ISCC опубликовали статью, описывающую, как производить человеческие стволовые клетки, гомозиготные в области HLA ДНК. [55] Эти стволовые клетки называются HLA гомозиготными партеногенетическими человеческими стволовыми клетками (hpSC-Hhom) и позволят имплантировать производные этих клеток без иммунного отторжения. При выборе доноров ооцитов в соответствии с гаплотипом HLA можно будет создать банк клеточных линий, тканевые производные которых в совокупности могли бы быть сопоставлены по MHC со значительным числом особей в человеческой популяции. [56]
После независимого расследования было выявлено, что дискредитированный южнокорейский ученый Хванг У-Сук неосознанно создал первые человеческие эмбрионы в результате партеногенеза. Первоначально Хванг утверждал, что он и его команда извлекли стволовые клетки из клонированных человеческих эмбрионов, но позже выяснилось, что этот результат был сфабрикован. Дальнейшее изучение хромосом этих клеток показывает признаки партеногенеза в этих извлеченных стволовых клетках, аналогичные тем, которые были обнаружены у мышей, созданных токийскими учеными в 2004 году. Хотя Хванг обманул мир, заявив, что он первый создал искусственно клонированные человеческие эмбрионы, он внес большой прорыв в исследования стволовых клеток, создав человеческие эмбрионы с помощью партеногенеза. [57]
Форма бесполого размножения, связанная с партеногенезом, — гиногенез. Здесь потомство производится тем же механизмом, что и при партеногенезе, но с требованием, чтобы яйцеклетка была просто стимулирована присутствием спермы для развития. Однако сперматозоид не вносит никакого генетического материала в потомство. Поскольку все гиногенетические виды — самки, активация их яйцеклеток требует спаривания с самцами близкородственного вида для необходимого стимула. Некоторые саламандры рода Ambystoma являются гиногенетическими и, по-видимому, были таковыми более миллиона лет. Успех этих саламандр может быть обусловлен редким оплодотворением яйцеклеток самцами, что вносит новый материал в генофонд, что может быть результатом, возможно, только одного спаривания из миллиона. Кроме того, известно , что амазонская молли размножается посредством гиногенеза. [58]
Гибридогенез — это способ воспроизводства гибридов . Гибридогенетические гибриды (например, геном AB ), обычно самки, во время гаметогенеза исключают один из родительских геномов (A) и производят гаметы с некомбинированным [59] геномом второго родительского вида (B), вместо того, чтобы содержать смешанные рекомбинированные родительские геномы. Первый геном (A) восстанавливается путем оплодотворения этих гамет гаметами от первого вида (AA, половой хозяин, [59] обычно самец). [59] [61] [62] Гибридогенез не полностью бесполый, а гемиклональный: половина генома передается следующему поколению клонально , некомбинированно, неповрежденно (B), другая половина — половым путем , рекомбинированно (A). Этот процесс продолжается, так что каждое поколение наполовину (или геми-)клонально со стороны матери и имеет половину нового генетического материала со стороны отца. [59] [63]
Такая форма размножения наблюдается у некоторых живородящих рыб рода Poeciliopsis [61] [64], а также у некоторых видов Pelophylax spp. («зеленые лягушки» или «водяные лягушки»):
Другие примеры, где гибридогенез является по крайней мере одним из способов воспроизводства, включают в себя:
Партеногенез, в форме воспроизводства от одного человека (обычно бога), распространен в мифологии, религии и фольклоре по всему миру, в том числе в древнегреческих мифах ; например, Афина родилась из головы Зевса . [70] В христианстве и исламе есть непорочное зачатие Иисуса ; есть истории о чудесных рождениях в других религиях, включая ислам. [71] Эта тема является одним из нескольких аспектов репродуктивной биологии, исследуемых в научной фантастике . [72]
Некоторые самки птиц, рептилий и других животных могут производить потомство самостоятельно. Но для млекопитающих, таких как мы, яйцеклетки и сперма нуждаются друг в друге.