따뜻한 온도에 만성적으로 노출되면 Drosophila melanogaster의 정자 풍부도와 품질이 저하됩니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12331(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

온도는 유기체 전체의 남성 생식력에 영향을 미칩니다. 그러나 최적이 아닌 온도가 성인 정자 형성에 어떻게 영향을 미치는지는 아직 연구가 부족합니다. Drosophila melanogaster 난생발생에 대한 최근 연구에서 우리는 따뜻한 온도(29°C)에 노출된 성인 남성의 생식력이 급격히 감소하는 것을 관찰했습니다. 여기에서는 정자의 풍부함과 품질이 낮아 수컷이 29°C에서 불임이 된다는 것을 보여줍니다. 29°C에서 정자 풍부도가 낮은 것은 생식줄기세포 또는 정자 수의 감소로 인한 것이 아닙니다. 그 수치는 29°C와 대조군 25°C 사이에서 비슷한 수준으로 유지되기 때문입니다. 특히, 차가운 18°C와 29°C의 수컷은 유사하게 정자 신장 및 개별화 결함의 빈도가 증가했는데, 이는 18°C에서 측정된 높은 정자 풍부도와 남성 생식력을 고려할 때 정자 형성이 신장 및 개별화 결함에 대해 높은 내성을 가지고 있음을 나타냅니다. . 흥미롭게도, 29°C에서 정자의 풍부함은 정자 형성이 끝날 무렵 정낭으로 전환되면서 세포사멸의 증거 없이 갑자기 감소하며, 이는 알려지지 않은 메커니즘을 통한 정자 제거를 나타냅니다. 마지막으로, 29°C에서 수컷의 정자는 난자를 덜 효율적으로 수정하고 배아 발생의 첫 번째 단계를 지난 배아를 지원하지 않습니다. 이는 낮은 정자 품질이 29°C에서 남성 불임의 추가 원인임을 나타냅니다.

번식은 수십억 년에 걸친 진화의 결과로 생리학적 및 외부 신호에 매우 민감하게 반응합니다. 처음에는 단일 세포에서, 나중에는 끊임없이 변화하는 환경에서 성공적으로 자손을 생산해야 했던 다세포 유기체에서 발생했습니다4,5. 그러나 인간 활동으로 인한 급격한 온도 상승의 의도하지 않은 영향 중에는6, 많은 유기체의 번식에 부정적인 영향이 있습니다7,8,9,10,11,12,13,14,15. 곤충에 대한 영향은 온도 조절 능력이 제한되어 있고11,12,13,14,15 공중 보건, 경제적, 생태학적 타당성을 고려할 때 특히 우려됩니다.

온도 상승은 많은 초파리 종과 기타 곤충의 수컷 생식 능력에 부정적인 영향을 미친다는 것이 잘 문서화되어 있습니다17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33, 34. 예를 들어, 28~31°C에서 발달하는 Drosophila melanogaster 유충은 생식력이 낮은 성체 수컷을 낳습니다17,19,21,22,23,24,26,30,31,32,33,34 또한 마찬가지입니다. 다른 초파리20,25,27,29,35. 성인 초파리 수컷을 37°C 이상의 온도에 단기간 노출시키면 자손 수도 감소합니다36,37. 흥미롭게도, 43개 초파리 종을 사용한 최근 연구에서는 성체 남성 불임으로 이어지는 온도가 치명적인 온도보다 전체적인 분포를 더 잘 예측한다는 사실이 밝혀졌으며 이는 정자 형성이 생태적 과정에 미칠 수 있는 핵심 역할을 강조합니다13. 특히, 실험실 실험에 사용된 최적이 아닌 온도(극한 온도와 반대)는 극한 온도와 관련된 온도보다 야생의 기후 변화 조건에 더 근접한 것으로 생각됩니다11,15. 온도가 남성 생식력에 미치는 영향을 보고하는 많은 연구에도 불구하고15,22,24,26,27,28,29,31,33, 성인이 만성적으로 최적이 아닌 온도에 노출되면 초파리의 정자 형성에 어떤 영향을 미치는지는 불분명합니다.

Drosophila melanogaster는 다른 곤충을 포함한 많은 유기체와 광범위한 관련성을 갖는 정자 형성의 기본 측면을 조사하는 강력한 시스템입니다. 고환의 정점 영역에는 유사분열로 분열하는 생식줄기세포(GSC)와 정조세포가 있습니다(그림 1). 허브(체세포 틈새)를 둘러싸는 5~9개의 GSC가 비대칭으로 분열하여 자가 재생되고 생식모세포를 생성합니다. 이는 다시 불완전한 세포질 분열로 4회 분열되어 16개의 정조세포를 포함하는 생식선 포낭(두 개의 체세포 포낭 세포로 둘러싸여 있음)을 형성합니다. 일차 정자세포로 발전합니다38,43. 감수분열과 정자 생성(즉, 정자 분화)은 중간 영역에서 발생합니다(그림 1A). 일차 정자 세포는 두 번의 감수분열을 거쳐 64세포 낭종(즉, 64개의 합포체 반수체 정자)을 생성합니다. 그들의 핵은 길쭉한 정자가 되면서 원형에서 잎 모양, 카누 ​​모양, 최종적으로 바늘 모양으로 형태학적 변화를 겪습니다(그림 1). 늦은 카누에 의해 히스톤은 프로타민으로 대체됩니다. 예를 들어, 프로타민 B(Mst35B에 의해 인코딩됨)는 적절한 핵 형태44,45에 필수적입니다. Mst35B는 둥근 정자 세포에서 전사되지만 카누 단계 후반까지 번역적으로 억제된 상태로 유지됩니다(그림 1B). 핵 응축 후, 바늘 모양의 정자는 불필요한 소기관과 세포질을 제거하는 액틴 기반 개별화 원뿔을 포함하는 카스파제 의존 과정을 통해 개별화되어 머리에서 꼬리로 이동하면서 낭포성 돌출부를 형성하여 폐기물 봉투에 남아 있는 잔해를 폐기합니다. 낭종의 끝46,47. 개별화 후 생성된 정자는 말단 영역(코일링 영역이라고도 함)에서 코일링됩니다41,48(그림 1). 그런 다음 정자는 풀리고 정낭으로 이동하여 교배할 때까지 보관됩니다(그림 1). 우리는 최근 성체로서 최적 온도인 29°C(최적 온도인 25°C와는 대조적)에 만성적으로 노출된 Drosophila melanogaster 수컷이 불임 상태가 된다는 것을 보여주었습니다. 그러나 정확히 어떤 정자 형성 과정이 따뜻한 온도에 의해 부정적인 영향을 받는지는 알려지지 않았습니다.