Хроническое воздействие высоких температур приводит к снижению количества и качества сперматозоидов у Drosophila melanogaster.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12331 (2023) Цитировать эту статью

1811 Доступов

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Температура влияет на мужскую фертильность разных организмов; однако то, как субоптимальные температуры влияют на сперматогенез взрослых, остается недостаточно изученным. В недавнем исследовании оогенеза Drosophila melanogaster мы наблюдали резкое снижение фертильности взрослых самцов, подвергающихся воздействию теплой температуры (29 °C). Здесь мы показываем, что самцы становятся бесплодными при 29 ° C из-за низкого количества и качества спермы. Низкое количество сперматозоидов при 29 °C не связано с уменьшением количества стволовых клеток зародышевой линии или количества сперматид, поскольку эти количества остаются сопоставимыми при температуре 29 °C и контрольной температуре 25 °C. Примечательно, что у самцов при низких температурах 18 °C и 29 °C наблюдалось одинаковое увеличение частоты дефектов удлинения и индивидуализации сперматид, что, учитывая высокое количество сперматозоидов и мужскую фертильность, измеренную при 18 °C, указывает на то, что сперматогенез имеет высокую толерантность к дефектам удлинения и индивидуализации. . Интересно, что количество сперматозоидов при 29 °C резко снижается и без признаков апоптоза по мере их перехода в семенный пузырек ближе к концу сперматогенеза, что указывает на элиминацию сперматозоидов посредством неизвестного механизма. Наконец, сперма самцов при 29 °C менее эффективно оплодотворяет яйцеклетки и не поддерживает эмбрионы после первой стадии эмбриогенеза, что указывает на то, что низкое качество спермы является дополнительной причиной мужского бесплодия при 29 °C.

Репродукция очень чувствительна к физиологическим и внешним сигналам1,2,3 в результате миллиардов лет эволюции — сначала одиночных клеток, а затем многоклеточных организмов, которым пришлось успешно производить потомство в контексте постоянно меняющейся окружающей среды4,5. Однако среди непреднамеренных последствий быстрого повышения температуры в результате деятельности человека6 можно отметить негативное воздействие на размножение многих организмов7,8,9,10,11,12,13,14,15. Воздействие на насекомых вызывает особую озабоченность, учитывая их ограниченную способность к терморегуляции11,12,13,14,15 и их значимость для общественного здравоохранения, экономики и экологии16.

Повышенные температуры хорошо задокументировали негативное влияние на плодовитость самцов у многих видов дрозофил и других насекомых. 34. Например, личинки Drosophila melanogaster, развивающиеся при 28–31 °C, дают начало взрослым самцам с более низкой плодовитостью17,19,21,22,23,24,26,30,31,32,33,34, как и в случае для других дрозофилидов20,25,27,29,35. Кратковременное воздействие на взрослых самцов дрозофилы температур выше 37 °C также снижает численность потомства36,37. Интересно, что недавнее исследование с использованием 43 видов дрозофил показало, что температура, приводящая к бесплодию взрослых самцов, предсказывает их глобальное распространение лучше, чем смертельные температуры, подчеркивая ключевую роль, которую сперматогенез может играть в экологических процессах13. Примечательно, что субоптимальные температуры (в отличие от экстремальных температур), используемые в лабораторных экспериментах, как полагают, более точно соответствуют условиям изменения климата в дикой природе, чем те, которые связаны с экстремальными температурами11,15. Несмотря на большое количество исследований, сообщающих о влиянии температуры на мужскую фертильность15,22,24,26,27,28,29,31,33, то, как воздействие хронических субоптимальных температур на взрослых особей влияет на сперматогенез у дрозофилы, остается неясным.

Drosophila melanogaster — мощная система для изучения фундаментальных аспектов сперматогенеза, имеющих большое значение для многих организмов, включая других насекомых3,38,39,40. В апикальной зоне семенников находятся митотически делящиеся стволовые клетки зародышевой линии (GSCs) и сперматогонии41,42 (Рис. 1). Пять-девять GSC, окружающие хаб (соматическая ниша), делятся асимметрично для самообновления и образуют гониобласт, который, в свою очередь, делится четыре раза с неполным цитокинезом, образуя кисту зародышевой линии (окруженную двумя соматическими клетками кисты), содержащую 16 сперматогоний, которые будут развиваются в первичные сперматоциты38,43. Мейоз и спермиогенез (т.е. дифференцировка сперматозоидов) происходят в промежуточной зоне41 (рис. 1А). Первичные сперматоциты подвергаются двум мейотическим делениям с образованием 64-клеточных кист (т.е. 64 синцитиальных гаплоидных сперматид). Их ядра претерпевают морфологические изменения от круглых до листовидных, каноэ и, наконец, игольчатых, когда они становятся удлиняющимися сперматидами (рис. 1); у позднего каноэ гистоны заменяются протаминами39,40. Например, протамин B (кодируемый Mst35B) необходим для правильной морфологии ядра44,45; Mst35B транскрибируется в круглых сперматоцитах, но остается трансляционно репрессированным до поздней стадии каноэ44 (Рис. 1B). После ядерной конденсации игольчатые сперматиды индивидуализируются посредством каспазозависимого процесса, включающего конусы индивидуализации на основе актина, которые удаляют ненужные органеллы и цитоплазму, образуя кистозную выпуклость, когда они перемещаются от головы к хвосту, чтобы выбросить остатки в мешок для мусора. конец кисты46,47. После индивидуализации полученная сперма скручивается в конечной зоне (также известной как область скручивания)41,48 (рис. 1). Затем сперма разворачивается и перемещается в семенной пузырь, где сохраняется до спаривания (рис. 1). Недавно мы показали, что самцы Drosophila melanogaster, хронически подвергавшиеся во взрослом возрасте субоптимальной температуре 29 °C (в отличие от оптимальной температуры 25 °C), становятся стерильными49. Однако остается неизвестным, на какие именно процессы сперматогенеза негативное влияние оказывает теплая температура.