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

1443 Доступа

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 ГСК, 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 каспазо-зависимого 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.