Введение к работе
Актуальность проблемы. Поддержание внутрипопуляционной
морфофункциональной изменчивости является одним из необходимых условий устойчивого существования вида на фоне динамичной среды обитания (Шилов, 1991). В дополнение к мутагенезу и рекомбинациям, обеспечивающим популяционную изменчивость, у позвоночных животных сформировались специализированные механизмы подбора половых партнеров, поддерживающие внутривидовое разнообразие. При этом свободный выбор, как правило, обеспечивает рождение наиболее жизнеспособного потомства, что подтверждается экспериментами, выполненными на разных видах животных, включая млекопитающих (Gowaty et al., 2007).
У большинства видов грызунов в качестве важнейшего сигнального фактора при взаимодействии особей выступает запах (Perm, Potts, 1998), чья привлекательность для самок также коррелирует с андроген-зависимыми поведенческими и метаболическими признаками. В частности, самки грызунов хорошо различают хемосигналы самцов разного иерархического ранга и предпочитают спариваться с доминантами (Dewsbury, 1982; Hurst, 1987; Coppersmith, Lenington, 1992; Ellis, 1995; Evsikov et al., 1995). Для понимания механизмов, предопределяющих сигнальную эффективность самцов, важно понять с какими физиологическими свойствами коррелирует их запаховая привлекательность. Вместе с тем, такая очевидная проблема, как анализ сопряженной изменчивости хемосигналов и уровня стрессированности, который, по мнению многих авторов, является универсальным критерием благополучия животных в естественной среде обитания (Герлинская, Мошкин, 1984; Мошкин, 1989; Sapolsky et al., 2000; Kloet et al., 2006), практически не разработана.
Успешность реализации репродуктивного потенциала самцов, как правило, зависит от их способности владеть ключевыми ресурсами среды обитания, включая корм, убежища и живущих на контролируемой ими территории самок (Crowcroft, Rowe, 1963, Hurst, 1987). У грызунов ключевым оружием территориальной конкуренции самцов являются мочевые метки (Hurst, Beynon, 2004). При этом у мышей и многих других видов грызунов эффективность маркировки и, соответственно, затраты на маркировочное поведение определяются экскрецией низкомолекулярных белков (major urinary proteins, MUP). Территориальная собственность обеспечивает самцу не лимитированный во времени доступ к самкам, обитающим на его индивидуальном участке. В то время, как половые контакты особей, вторгающихся в «чужое пространство», должны укладываться в ограниченные временные рамки. Но экстерриториальное спаривание не редкость не только у мышей (Potts et al., 1991), но даже и у видов, образующих относительно стабильные семейные колонии (Randell et al., 2005). При этом дисассортативное спаривание, как следствие свободного выбора самкой полового партнера, чаще наблюдается при экстерриториальном покрытии (Penn, Potts, 1998). В этой связи возникает вопрос о том, в какой мере изменчивость социально наивных самцов по маркировочной эффективности и, в частности, по производству и выведению МНР, коррелирует с их репродуктивным поведением. В естественных условиях свободный выбор партнеров ограничивают не только особенности социальной организации, но и паразиты, которые модифицируют хемосигналы зараженных животных (Kavaliers, Colwell, 1993, 1995; Kavaliers et al., 1997; Penn, Potts, 1998). Это может нарушить оптимальный выбор партнера и, соответственно, отразиться на развитии потомков. Вопрос о роли естественных ограничений свободного выбора только ставится в современных обзорных работах (Gowaty et al., 2007).
Среди генетических факторов, определяющих выбор полового партнера, наиболее глубоко исследованы гены главного комплекса гистосовместимости (МНС). Особая
значимость этого высокополиморфного семейства генов объясняется тем, что МНС-молекулы играют ключевую роль в формировании специфической иммунной реакции против паразитарной инвазии. Изучение природных популяций разных видов позвоночных показывает, что встречаемость гетерозигот по МНС генам обычно превышает теоретическую ожидаемую (Penn, Potts, 1999). Существенный вклад в поддержание полиморфизма вносит не только более высокая устойчивость гетерозигот к паразитарному прессу, но и диссасортативный ольфакторный выбор брачных партнеров (Potts et al., 1991). Но не только на этапе выбора партнеры, отличающиеся по МНС генам, получают преимущество. Фертилизация также происходит с большей вероятностью в том случае, если МНС гаплотипы сперматозоида и яйцеклетки не совпадают (Но et al., 1994; Gill, 1999; Wedekind et al., 1996).
На последующих этапах беременности иммуногенетические различия матери и зародышей чаще оказывают позитивное, чем негативное, влияние (Billington, 1964; James, 1965; Евсиков, Морозова, 1977, 1978; Ober, 1998; Fernandez et al., 1998). В отличие от реакции организма на паразитарные и трансплантационные антигены, распознавание антигенного фенотипа зародыша приводит к активации субпопуляции хелперных Т-клеток второго типа (Th2) и к подавлению активности хелперных Т-клеток первого типа (Thl), стимулирующих цитотаксические клетки (Piccinni et al., 2000). Переключение пролиферации Т-лимфоцитов в пользу Тп2-клеток происходит при участии прогестерона (Szekeres-Bartho et al., 2000), который вовлекается в регуляцию всех важнейших этапов, обеспечивающих нормальное течение беременности (Lydon et al., 1996). Однако следует отметить, что исследования механизмов иммуноэндокринных взаимоотношений мать-плод проведены, главным образом, в условиях in vitro, и это обстоятельство подводит нас к необходимости исследовать эндокринные последствия разных иммуногенетических взаимоотношениях матери и зародышей в условиях in vivo.
Координированная реализация программы развития в период беременности проходит под контролем систем нейрогуморальной регуляции. Изменения гормонального баланса во время беременности, вызванные внутренними или внешними факторами, влияют на программу развития и, как следствие, изменяется фенотип потомков (Henry et al., 1994; Sekl, 1998; Knackstedt et al., 2005). Большинство экспериментальных исследований в этой области относится к поздним периодам беременности, на которых идет формирование нервной ткани и эндокринной системы зародышей. Вместе с тем, наиболее драматичными этапами беременности, зависящими от иммуногенетических различий матери и зародышей, являются этапы пре- и раннего постимплантационного развития эмбрионов (Fernandez et al., 1995; 1999; Choudhury, Knapp, 2001). Но этой проблеме посвящены лишь единичные исследования, в которых для изучения роли условий пренатального периода онтогенеза в формировании поведенческого фенотипа мышей был использован метод внутри и межлинейных пересадок эмбрионов. Эти работы показали, что изменчивость сенсорных и моторных характеристик взрослых потомков определяется различными компонентами материнской среды (Carlier et al., 1992, Roy et al., 2001). Для понимания микроэволюционной значимости онтогенетических последствий, обусловленных иммуногенетическими взаимоотношениями мать-плод, особый интерес представляет изучение адаптивных ответов потомков на внутри- и внепопуляционные стимулы, включая поведенческую и гормональную реакции на эмоциогенный и социальный стрессы, иммунный ответ на антигены и способность к поддержанию температурного гомеостаза в условиях холода.
Исходя из сказанного, были сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.
Цель - исследовать эколого-физиологические факторы, определяющие выбор брачного партнера, и оценить влияние генотип-обусловленного выбора на процесс беременности и становление адаптивно значимых свойств потомков.
Направление исследования определило конкретные задачи:
-
Изучить зависимость ольфакторных предпочтений самок от эндокринных и поведенческих особенностей самцов аутбредных мышей и оценить жизнеспособность при скрещивании с привлекательным или непривлекательным самцом.
-
В опытах на самцах мышей аутбредной линии ICR исследовать корреляции индивидуальной изменчивости затрат на маркировку территории, оцененных по интенсивности выведения белка с мочой, с показателями полового поведения и особенностями пренатального развития их потомков.
-
Исследовать модифицирующее влияние нереплицируемых антигенов и заражения субклинической дозой вируса клещевого энцефалита на ольфакторную привлекательность и репродуктивный успех самцов мышей аутбредной линии ICR.
-
Изучить эндокринное обеспечение беременности и особенности пренатального роста эмбрионов при различных иммуногенетических отношениях в системе мать-плод, складывающихся у самок линий BALB и C57BL при внутри- и межлинейных скрещиваниях и пересадках зародышей.
5. Исследовать значение иммуноэндокринных взаимоотношений мать-плод для
формирования фенотипической изменчивости адаптивно значимых поведенческих и
физиологических признаков взрослых потомков.
Научная новизна. В наших исследованиях впервые установлено, что запаховые сигналы самцов несут информацию не только о поведенческих свойствах, но и об уровне стрессированности, отражающем их физиологическое благополучие. Спаривание с предпочитаемым самцом обеспечивает более эффективное внутриутробное развитие зародышей, но не влияет на показатели потенциальной и фактической плодовитости.
Впервые показано, что потенциальная способность социально наивных самцов к значительным ресурсным затратам, выражающаяся в повышенной экскреции низкомолекулярных белков и обеспечивающая, тем самым, эффективную маркировку территории, сочетается с меньшей сексуальной настойчивостью в первые часы после встречи с самкой и с меньшей эффективностью эмбрионального развития у покрытых ими самок.
Модификация хемосигналов, обусловленная инфекцией или антигенной стимуляцией иммунной системы, негативно влияет на репродуктивный успех самцов. Причем впервые показано, что в случае субклинического заражения вирусом клещевого энцефалита самцы становятся более привлекательными для самок, но спаривание с такими самцами сопровождается большими эмбриональными потерями и меньшими темпами роста эмбрионов. Снижение массы эмбрионов, наблюдаемое при скрещивании самок с самцами, экскретирующими больше белка, или с самцами, зараженными вирусом клещевого энцефалита сочетается и с меньшей концентрацией прогестерона в крови беременных самок.
Впервые показано, что спаривание с половым партнером, отличающимся от самки по МНС генам, приводит к повышению концентрации прогестерона в материнской крови в период имплантации. Повышение концентрации прогестерона при аллогенной беременности является следствием стимулирующего действия аллоантигенов плода. Впервые получены прямые доказательства, что для индукции иммуноэндокринных механизмов, приводящих к повышению концентрации прогестерона в период
имплантации, достаточно однократного введения антигенов генетически отличного самца. Активация прогестеронпродуцирующей функции в период имплантации позитивно влияет на формирование материнских качеств, определяющих жизнеспособность потомства на постнатальном этапе онтогенеза.
Особенности иммуноэндокринных взаимоотношений матери и эмбрионов приводят к модификации у взрослых потомков вегетативной и адренокортикальной реакций на эмоциогенные стрессоры, но не влияют на адренокортикальный ответ, вызванный холодовым воздействием. Антигенная стимуляция матерей на доимплантационной стадии беременности повышает способность потомков к социальному доминированию и улучшает их половое поведение. Вопреки принципу компромиссного распределения ресурсов (трэйд-офф) более выраженная экспрессия этих вторичных половых признаков не приводит к подавлению адаптивного гуморального иммунитета.
Научно-практическая значимость.
Полученные в работе данные о взаимозависимости запаховой привлекательности, уровня стрессированности и репродуктивного успеха самцов мышей служат обоснованием для использования показателей адренокортикальной активности в качестве одного из базовых критериев благополучия животных. Это особенно важно при разведении редких видов в условиях неволи, а также при организации мероприятий по их сохранению в природе. Реальность практического применения такого критерия подкрепляют разработанные нами, вне рамок диссертации, методы неинвазивной оценки концентрации глюкокортикоидов в фекалиях и оставленных на снегу мочевых метках (Герлинская и др., 1993).
В ходе выполнения диссертационной работы впервые были получены данные о заражении эмбрионов вирусом клещевого энцефалита при спаривании здоровых самок с инфицированными самцами. Возможность передачи данного вируса половым путем должна быть принята во внимание при организации лечебно-профилактических мероприятий, направленных на ограничение распространения вируса клещевого энцефалита.
Данные о влиянии иммуногенетических различий матери и эмбрионов на эндокринный статус беременных самок и на характер пре- и постнатального развития потомков могут быть использованы при разработке программ формирования оптимальных брачных пар в деле разведения различных видов млекопитающих. Они также могут быть полезны при подборе суррогатных матерей в случае экстракорпорального оплодотворения, а также при разработке подходов к прогнозированию психофизиологических свойств потомков в зависимости от иммуноэндокринных процессов, развертывающихся во время беременности.
Материалы диссертации используются в лекционных курсах «Популяционная физиология» и «Экологическая и популяционная физиология», которые читаются в Новосибирском государственном университете и в Томском государственном университете.
Положения, выносимые на защиту.
1. При ольфакторном выборе половых партнеров самки мышей отдают предпочтение наименее стрессированным и наиболее конкурентоспособным особям, спаривание с которыми обеспечивает эффективное развитие эмбрионов. Социальная среда и инфекции ограничивают оптимальный выбор партнеров, что негативно влияет на качество потомства.
2. Вынашивание эмбрионов иного по отношению к матери МНС генотипа оказывает
дополнительное стимулирующее воздействие на прогестеронпродуцирующую функцию,
что создает предпосылки для более успешного внутриутробного развития и для снижения
смертности потомков в раннем постнатальном периоде.
3. Иммуноэндокринные процессы, складывающиеся при аллогенной беременности,
влияют на приспособительные свойства потомков, что выражается в повышении их
устойчивости к эмоциогенным стрессам и в увеличении социальной и половой
конкур ентоспособности.
Апробация работы. Основные материалы работы были представлены и обсуждались на Российских и Международных конференциях: IV Conf. Rodens & Spatium, Poland, 1993; «Chemical Signals in Vertebrates VII» (Eberhard-Karls-University Tubengen, Germany, 1994; «Cenetics, Neurogenenics and Behavior II» La Londe-les-Maures, France; XXV International Ethological Conference, Viena, Austria, 1997; XXV ШС Satelite Symposium # 4, «The Analysis of Steroid Hormones from Unrestrained Animals: Methodology and Application of Non-invasive Technoloque», Grunau, Austria, 1997; «Вирусные, реккетсиозные и бактериальные инфекции, переносимые клещами», Иркутск, 1996; 3-м Съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока. Институт физиологии СО РАМН, Новосибирск, 1997; Workshop "Assessment of Sponsored Biological Research in Russia For The New Millennium", Novosibirsk, 1999; «3 International Symposium on Physiology and Ethology of Wild and Zoo Animals» Berlin, 2000; XXVII International Ethological Conference, Tubingen, 2001; "Animal Nutrition In Australia", 2003; Сибирская Зоологическая конференция. Новосибирск, 2004. Публикации. По материалам, включенным в диссертационную работу, опубликовано 37 работ, в том числе в журналах ВАК - 18, в других рецензируемых изданиях - 10, в сборниках тезисов конференций - 9.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х отдельных глав, включающих следующие разделы - обзор литературы, материалы и методы, результаты и обсуждение, общее заключение, выводы, список литературы, включающий 591 литературный источник. Работа изложена на 260 страницах, содержит 20 рисунков и 22 таблицы.
Благодарности: Автор выражает глубокую признательность чл.-корр. РАН В.И. Евсикову, проф. М.П. Мошкину, Ph.D. Ю.М. Мошкину, О.А. Роговой, О.Ф. Потаповой, СВ. Скоровой, Т.Д. Осетровой, Л.Е. Овчинниковой за многолетнее сотрудничество, поддержку и за помощь в выполнении экспериментальной части исследования. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ: 94-04-12018; 97-04-50073; 99-04-49938; 02-04-48674; 06-04-49088.
