Téměř všichni jsme přesvědčeni, že pohlaví každého živého organismu se určuje během vývoje v děloze a zůstává na celý život. V přírodě však existuje asi 500 druhů ryb, které v případě potřeby dokážou změnit pohlaví a přeměnit se ze samic na samce a naopak. Jak a proč to dělají, zůstalo pro vědce stále záhadou, ale skupině výzkumníků z Nového Zélandu se na tuto otázku nakonec podařilo odpovědět. Tento proces vysvětlili na příkladu ryby zvané Thalasoma bluehead, která žije v Karibském moři.
Tyto tropické ryby žijí ve skupinách s několika samicemi a pouze jedním samcem. Samec mezi nimi vyniká modrou barvou hlavy a věnuje se především hledání potravy a ochraně samic před predátory. Tento způsob života je velmi nebezpečný, samci se tak často ztrácejí nebo umírají, a proto se jedna ze samic chtě nechtě musí sama proměnit v samce a vzít své přítelkyně pod ochranu.
Jedna z ryb, která dokáže změnit pohlaví, je tzv kabudai. Její prostřední jméno je pyskoun. Existuje asi 600 druhů pyskounů, jejichž délka těla se pohybuje od pěti centimetrů do tří metrů. Samice této ryby se překvapivě během pár měsíců promění v samce. Poté, co se samice proměnila v samce, vyzve ostatní samce na souboj a vyžene je ze svého území. Jak může ryba kabudai změnit pohlaví?
Po transformaci pohlaví začne samice útočit na samce
Proč ryby mění pohlaví?
Změna pohlaví nastává v rekordním čase – samice pyskouna se během několika minut stane mužnou a během několika hodin se změní barva její hlavy. Její vaječníky, ve kterých se tvoří ženské reprodukční buňky, vajíčka, se za pouhých 10 dní promění v mužská varlata a začnou produkovat spermie.
Jedinci thalasomského modrohlavého: modrý samec a žluté samice
Vědci dlouho nebyli schopni přesně vysvětlit, jak k tomuto procesu dochází, ale nyní byla záhada konečně odhalena. Vědci provedli experiment, ve kterém nezávisle odstranili samce z několika skupin ryb kabudai a tím donutili samice ke změně pohlaví. Během tohoto procesu vědci pečlivě sledovali všechny změny, ke kterým dochází uvnitř organismů ryb kabudai.
Doporučená literatura: Žraloci bílí snesou hodně – i obsah těžkých kovů v krvi
Domnívají se, že po zmizení samce začnou samice zažívat velký stres, kvůli kterému začnou rychle odumírat buňky ženských pohlavních orgánů. Jejich těla přitom začnou produkovat mužské buňky, ze kterých se později tvoří mužské orgány. Během všech těchto procesů se ženy podle toho začnou měnit ve vzhledu a charakteru.
Jaké ryby mohou změnit pohlaví?
Podle výzkumníků se stejné procesy vyskytují v organismech jiných úžasných ryb, které mohou změnit jejich pohlaví. Nejznámějšími zástupci takových druhů jsou klauni, ale v jejich skupinách dochází ke změně pohlaví přesně naopak. Faktem je, že většina z nich jsou narození samci a hlavními rybami ve skupině jsou velké samice. Když hlavní samice zemře, jeden ze samců změní své pohlaví na samici.
Po zveřejnění výsledků studie se objevili vědci, kteří s nimi nesouhlasili. Například profesor Matthew Grober z Georgia State University se divil, proč ryba kabudai nemění pohlaví, když zažívá každodenní stres? Podle jeho názoru vědcům z Nového Zélandu něco zjevně uniklo a proces změny pohlaví se spouští i z jiného, v současnosti neznámého důvodu.
Pokud vás zajímají novinky z oblasti vědy a techniky, přihlaste se k odběru našeho kanálu Telegram. Najdete tam oznámení o nejnovějších materiálech z našich stránek!
Biologové z Nového Zélandu zjistili, že když se samice pyskouna modrohlavého přemění na samce, dramaticky se změní aktivita genů v gonádách, ale ne v mozku. V článku v Věda Zálohy V tuto chvíli je uveden nejpodrobnější popis procesů doprovázejících změnu pohlaví u ryb.
Na rozdíl od savců je mnoho ryb schopno po narození změnit pohlaví. Důvodem je zpravidla změna vnějších podmínek, například poměr samic a samců. Nejvíce studovaným v tomto ohledu je pyskoun modrohlavý (Thalassoma bifasciatum), obyvatel korálových útesů Karibského moře a Mexického zálivu. Tyto ryby žijí ve skupinách, které se skládají z jednoho dominantního samce (jeho hlava je modrá) a několika desítek samic (ty jsou žluté). Existují i nedominantní samci, vzhledem a chováním se od samic jen málo liší, ale mají varlata.
Když dominantní samec z nějakého důvodu skupinu opustí, zaujme jeho místo jiná ryba. Pokud se jedná o samičku, pak za dva až tři týdny změní barvu a zvětší se, přestanou jí fungovat vaječníky, místo toho se vyvinou varlata a začnou produkovat plnohodnotné spermie. Mění se i chování: bývalá samice přechází z pasivní do agresivní, začíná odhánět ostatní samce a dvoří se samice.
Jak organismus pyskouna modrohlavého provádí všechny tyto přeměny, nebylo zcela známo. Při změně pohlaví by se měla změnit exprese (intenzita práce) řady genů, protože biochemické procesy nové pro dané tělo vyžadují nové enzymy a enzymy jsou proteiny a jsou kódovány geny. Studie jiných druhů ryb teleost ukázaly, že rozdíly v genové aktivitě mezi samicemi a samci se vyskytují především v gonádách a v menší míře v mozku.
Ve své práci to zohlednili vědci z University of Otago (Nový Zéland) pod vedením Erici V. Toddové. V letech 2012 a 2014 chytili a označili celé skupiny pyskounů u pobřeží Floridy. Pohlaví ryb bylo určeno délkou genitálních papil a gametami, které jednotlivci uvolňovali, když je tlačili na břicho. Poté byli nedominantní samci přemístěni na vzdálené útesy, aby tyto ryby nesoupeřily se samicemi o možnost stát se novými dominantními samci, ao dva dny později byli dominantní samci odstraněni. To stimulovalo změnu pohlaví u některých žen.
Biologové pak asi měsíc každý den pozorovali pyskouny ve skupinách bez dominantních samců a zaznamenali změny v chování zvířat. 27 samic bylo odchyceno v různých fázích transformace na samce, jejich gonády byly analyzovány histologicky a byla hodnocena exprese genů, které jsou odpovědné za syntézu pohlavních hormonů a neuropeptidů v mozku a gonádách. Šest samic sloužilo jako kontrola a nevykazovaly žádné známky změny pohlaví. Parametry 27 samic měnících pohlaví byly porovnány s údaji od osmi dominantních samců zachycených z jiných útesů.
Aktivita genů v mozku ryb, které měnily pohlaví, se téměř nelišila od běžných samic. Zvýšila se pouze exprese genu pro isotocin, jednoho z neuropeptidů homologních se savčím oxytocinem. U ryb je účinek isotocinu spojen se zvýšenou teritorialitou a agresivitou. Intenzita produkce dalších molekul blízkých isotocinu se přitom nezměnila. K velkým změnám však docházelo v gonádách. Ve vaječnících byla potlačena exprese genu aromatázy, enzymu, který je zodpovědný za produkci ženských pohlavních hormonů, estrogenů. Ovariální vývody se uzavřely a genová exprese se zvýšila v nově vytvořené testikulární tkáni amh, cyp11c1 и hsd11b2. Proteiny, které kódují, se podílejí na syntéze mužských pohlavních hormonů – androgenů.
Zůstává však nejasné, co přesně spouští změnu v genové expresi. Autoři naznačují, že se jedná o zvýšení hladiny kortizolu, stresového hormonu. Stává se hojnějším v těle samice, když dlouho nevidí dominantního samce. Práce také neříká, zda se stává, že se samice v určité fázi změny pohlaví zastaví, aniž by se zcela proměnily v samce, a pokud ano, jaká je fyziologie těchto ryb, jak dlouho žijí.
Pod vlivem vnějších faktorů nejen ryby, ale i měkkýši mění pohlaví. Mořští plži tedy určují, který ze dvou samců se stane samicí, vzájemným porovnáním velikostí, a čím blíže je fyzický kontakt měkkýšů v páru, tím rychleji dochází k transformaci.
Světlana Yastrebová
Našli jste překlep? Vyberte fragment a stiskněte Ctrl + Enter.
O prasatech a lidech
Jak proměnit prasátko v bezpečného dárce orgánů
První a jediný člověk, který dostal geneticky modifikované prasečí srdce, s ním žil pouhých 60 dní. Ani po roce a půl lékaři stále nezjistili, proč zemřel, ale mají podezření, že imunitní systém pacienta se s transplantací stále nevyrovnal. Možná by se odmítnutí dalo předejít, kdyby byl pacientovi transplantován lidský orgán vyrostlý od nuly, například v těle stejného prasete. Nyní čínští vědci získali první prasečí embryo s rudimentem lidské ledviny a bylo možné vyhodnotit, co je vlastně jednodušší: přestrojit prasečí ledvinu za lidskou nebo vypěstovat ve praseti skutečnou lidskou ledvinu. Vepřové maso v člověku Cizí orgán v těle člověka se nikdy nestane jeho vlastním. A to i v případě, že transplantace byla úspěšná a dárce je blízký příbuzný. Téměř vždy po takové operaci musí člověk po celý život užívat léky, které potlačují činnost imunitního systému. Co můžeme říci o případech, kdy je dárcem zvíře jiného druhu. Ve druhé polovině 20. století lékaři s tímto druhem transplantací hodně experimentovali. Jenže se ukázalo, že na xenotransplantace nepomáhají ani imunosupresiva. Prasečí srdce a opičí játra zřídka vydržely v lidském těle déle než několik dní nebo měsíců. Lékaři opustili tyto pokusy a obrátili se o pomoc na genetiky. Navrhli chovat „humanizovaná“ prasata – tedy zvířata, jejichž tkáně bude lidský imunitní systém souhlasit, že je uzná za vlastní. Nejjednodušší věc, kterou pro to lze udělat, je odstranit z povrchu buněk molekuly, které v lidském těle v zásadě neexistují. V případě prasečích buněk se jedná o disacharidový fragment dvou galaktóz (galaktóza-alfa-1,3-galaktóza). Abyste se ho zbavili, musíte z prasečího genomu vyříznout gen GGTA1: kóduje enzym, který pomáhá připojit tento ocas k buněčné membráně. Knokaut tohoto genu stačí k tomu, aby se zabránilo tomu, že náplast prasečí kůže nebo dokonce celá prasečí ledvina způsobí okamžité odmítnutí po transplantaci. Ale pokud orgán musí zůstat v lidském těle po dlouhou dobu, pak během týdnů a měsíců bude imunitní systém schopen dosáhnout hůře dostupných neznámých molekul. To znamená, že musíte jednat mazaněji. Například můžete nainstalovat malý kousek brzlíku pod kapsli vepřové ledviny. To je orgán, který trénuje imunitní buňky, aby nereagovaly na molekuly vlastního těla. V souladu s tím by brzlík dárce mohl trénovat lymfocyty hostitele, aby byly trpělivé s transplantovanými buňkami. Pod takovou ochranou může vepřová ledvina žít v člověku nejméně měsíc. Nebo můžete jít ještě dál a být v bezpečí před všemi možnými komplikacemi najednou. To udělali genetici ze společnosti Revvicor. Provedli až deset změn v genomu prasete, jehož srdce bylo později transplantováno lidem: vymazali tři geny zodpovědné za výskyt cizích molekul na povrchu; vymazali gen receptoru růstového hormonu (aby srdce nereagovaly na hostitelský hormon a nerostly), přidali šest lidských genů (dva inhibují zánět, dva brání vrozeným imunitním proteinům ve vazbě na buňky, dva blokují srážení krve). Pacient ale stejně zemřel. Se svým novým srdcem žil dva měsíce – a pak najednou začalo selhávat. Lékaři stále přesně nevědí, co se stalo. Možná to byl virus, který přenášelo zvíře. Nebo třeba v protilátkách, které lékaři pacientovi předepsali, když zaznamenali známky infekce (protože po imunosupresi mu nezůstaly téměř žádné protilátky). Nebo – u prasečích protilátek, které se vytvořily v srdci dárce a nakonec způsobily imunitní odpověď. Tak či onak imunitní systém na něco zareagoval. K odmítnutí přesto došlo. Člověk ve vepře Zda se jednoho dne podaří přinutit prasečí srdce, aby se v člověku spolehlivě zakořenilo, nelze nyní říci. Doposud proběhla pouze jedna taková operace. A zatím je pouze jeden příjemce vepřové ledviny. Proto je příliš brzy posuzovat vyhlídky takových operací a jejich možné důsledky. Můžeme však s jistotou říci, že lidské orgány by se měly zakořenit lépe než prasečí a měly by s sebou nést méně rizik. Pokud se naučíte, jak je pěstovat. Sbírat životně důležité orgány in vitro zatím není možné, ale můžete je zkusit vypěstovat uvnitř živého organismu – například prasete. K tomu potřebuje vypnout gen zodpovědný za vývoj jejího vlastního orgánu a zasadit do svého embrya lidské buňky (více jsme o této metodě hovořili v materiálu „Pig Heart“). Pokud prase přežije a požadovaný orgán vyroste, můžeme s jistotou říci, že je to člověk. Pravda, k tomu budeme muset vyřešit ještě jeden problém – prasečí buňky nepřevlékat za lidské, ale naopak postarat se o to, aby se lidské buňky staly v prasečím embryu svými a nezabíjely je sousedé. Embrya chimér se obvykle odebírají, když jsou v nejranějších fázích vývoje. Prasečí embryo v tuto chvíli vypadá jako shluk buněk, které se ještě nezačaly distribuovat mezi orgány a tkáně. Můžete do ní napíchnout lidské embryonální kmenové buňky – jsou přibližně ve stejném stádiu – a doufat, že se promísí s davem a budou se podílet na stavbě orgánů stejně jako prasečí buňky. Protože v tak raném embryu není žádná tkáň, není tam žádná krev, což znamená, že imunitní odmítnutí je nemožné. Lidským buňkám však brání v klidné integraci jiný mechanismus – buněčná konkurence. Zdá se, že buňky uvnitř embrya vysílají signál svým sousedům, aby zahájili apoptózu. A pokud sousedé z nějakého důvodu neprodukují dostatek proteinů, které blokují apoptózu – například proto, že mají nějaké poškození nebo nemají dostatek energie – pak zemřou. Proto transplantované buňky v chimérických embryích špatně zakořeňují, zvláště pokud nemluvíme o blízce příbuzných živočišných druzích. Rekordní obsah lidských buněk, kterého bylo dosaženo u chimérického embrya u opice, je 7 procent, u myši – 4 procenta. V chimérách s prasaty donedávna lidské buňky přežívaly ještě hůře a tvořily jen zlomek procenta. Aby pomohli buňkám uvnitř chiméry přežít, vědci se snaží geneticky deaktivovat jejich program apoptózy. Američtí vědci tak v roce 2021 vytvořili buněčnou kulturu bez genu TP53, který kóduje hlavní protein v programu apoptózy. Když byly takové buňky implantovány do prasečího embrya, přežily a dokonce z nich začaly růst skutečné svaly – protože prasata byla odebrána s vadou ve vývoji svalů. Nyní se další skupina vědců, čínští biologové pod vedením Liangxue Lai, pustila do pěstování lidské ledviny uvnitř prasete – protože ledviny jsou k transplantaci potřeba mnohem více než svaly. Za tímto účelem vědci vložili konstrukt několika fragmentů DNA do genomu lidských buněk. Začalo to signální sekvencí, která reagovala na přítomnost specifického léku (doxycyklinu), což znamená, že geny po ní mohly být spuštěny příkazem. Další byly kopie dvou genů, z nichž jeden (BLC2) zastavuje apoptózu a druhý (MYCN) se podílí na dělení. Tento genetický design neměl zastavit program buněčné smrti, ale naopak podpořit program přežití. Kromě toho byly buňky značeny fluorescenčním proteinem, aby byly snadno vidět uvnitř chiméry. Poté, co byly tyto buňky „naprogramovány“ k přežití pomocí doxycyklinu, byly implantovány do prasečích embryí. A podle výpočtů autorů článku zabírali přibližně desetinu plochy embrya. Nemusí to nutně znamenat, že tvořily deset procent všech buněk, ale rozhodně v nich tvořily znatelný (pod fluorescenčním mikroskopem) zlomek. Aby ledvina vyrostla z lidských buněk, bylo potřeba upravit i hostitelské prase. Pomocí genových editorů vědci vytvořili dva nefunkční geny (SIX1 a SALL1), které jsou zodpovědné za diferenciaci ledvinových buněk a tvorbu tubulů. Bez lidských buněk byla prasečí embrya s defekty v těchto genech životaschopná, ale jejich ledviny se nevyvíjely tak dobře jako normálně. Když se vědci pokusili sestavit chiméru z upraveného prasečího embrya a upravených lidských buněk, získali pět životaschopných embryí, která se zakořenila v náhradních prasečích matkách. O měsíc později vědci tato těhotenství ukončili a embrya z dělohy odstranili. V oblasti, kde se měly nacházet jejich ledviny, si vědci pod mikroskopem všimli jasně červené záře – tedy lidské buňky zaujaly své zamýšlené místo. Ukázalo se, že ledvinový rudiment je o něco více než polovina člověka – podíl světelných buněk v něm byl 50–65 procent. Dvojité GMO To, co vyrostlo v čínském experimentu, samozřejmě ještě není plnohodnotná ledvina. Toto je pouze základ a částečně postavený z prasečích buněk. Navíc byl získán s extrémně nízkou účinností – pouze 5 embryí z 1820 zakořenilo. Projekt má před sebou ještě dlouhou cestu, aby dohnal upravená prasata a jejich orgány, které se již transplantují pacientům. Přesto se jedná o první rudiment lidské ledviny u prasete – a obecně první rudiment životně důležitého lidského orgánu získaného touto metodou. To znamená, že si již dokážeme představit, o kolik je tato technologie ekonomičtější ve srovnání s humanizací prasat – alespoň co se týče nutných genetických úprav. Prase, které se stalo prvním modifikovaným dárcem lidského srdce, neslo deset genetických změn. A ani ty nepomohly uklidnit imunitní systém nového majitele. Možná budou další generace dárcovských prasat potřebovat více těchto úprav. Kolik přesně, zatím není jasné. Například americký genetik George Church, známý svými ambiciózními nápady a velkými projekty, tvrdil, že je nutné z prasečího genomu vyčistit všechny endogenní retroviry – mobilní elementy, které se mohou pohybovat celým genomem a teoreticky mohou „skákat“ z dárcovského orgánu do lidských buněk. Jedná se o dalších 25 dodatečných úprav, celkem tedy téměř čtyřicet. A to asi není limit. V chiméře člověk-prase je zatím méně úprav: dvě v lidském genomu a další dvě v genomu prasete. Lai Liangxue a jeho spoluautoři ale tuší, že časem bude potřeba víc. Za prvé, se současným experimentálním designem stále nebude možné vypěstovat ledvinu, která neobsahuje jedinou prasečí buňku. I když vědci dosáhnou, že každý jednotlivý tubul ledviny je lidský, stále budou existovat krevní cévy a prvky pojivové tkáně. A pokud chceme, aby ledvina byla pro lidský imunitní systém zcela neviditelná, bude muset prase dárce vypnout i geny spojené s vývojem kapilár. Bude takové prase životaschopné? A co se stane s jejími dalšími orgány, kde se zřejmě usadí lidské buňky a vyklíčí lidské cévy? Za druhé, takto vedený experiment se může ukázat jako eticky riskantní. Co když se lidské buňky stanou součástí nejen ledvin, ale i nervového systému? Tam samozřejmě nebudou konkurenceschopní – a přesto to bude prasečí mozek s lidskými buňkami. Vědecká komunita dosud nestanovila žádný prahový podíl lidských buněk, po jehož dosažení je mozek považován za člověka. Jakýkoli experiment s chimérickým nervovým systémem tedy může vyvolat otázky etických komisí. Vědci proto svůj experiment zastavili 28. den vývoje. A zkontrolovali, že v prekurzorech mozku a míchy v embryích jsou pouze jednotlivé lidské buňky a v základech gonád – vůbec ne jediná. Lai Liangxue a spoluautoři se domnívají, že z etického hlediska lze jejich metodu učinit bezpečnější provedením ještě větších úprav genomu lidských buněk. Tedy vyříznout odtud některé geny, které jsou klíčové pro vývoj nervového systému a gonád. Pak se obě části chiméry ukážou jako méněcenné – ani jedna nepřežije sama o sobě a výsledný organismus bude mozaikou orgánů různých druhů. Vědci nespecifikují, které geny by mohly být dobrým cílem pro takové úpravy. A pro každý případ udělají výhradu: nové genetické zásahy mohou zabránit tomu, aby lidské buňky vytvořily plnohodnotnou ledvinu. Tak či onak, bude to vyžadovat mnohem více experimentů, abyste zjistili, zda je zde možný kompromis.
