Конвергенция

Н.Л. Резник

Когда животные, состоящие в весьма отдаленном родстве, вынуждены приспосабливаться к одинаковым условиям, они приобретают сходство. Такое независимое схождение признаков называется конвергенцией, ее еще Чарльз Дарвин описал, и учебники изобилуют примерами. У птиц и летучих мышей вырастают крылья, у летучих мышей и дельфинов развивается эхолокация, дельфины внешне напоминают крупных рыб. Но если результаты конвергенции всем заметны, то ее молекулярные механизмы пока остаются в тени. Возможность их исследовать появилась относительно недавно.

Комфорт в знойной пустыне

Что общего между верблюдом и земляной белкой? На первый взгляд этот вопрос напоминает знаменитую загадку кэрролловского Шляпника: «Чем ворон похож на конторку?» Земляная белка, или тринадцатиполосный суслик Ictidomys tridecemlineatus, — обитатель прерий Северной Америки. Дикий двугорбый верблюд Camelus ferus водится в пустынях Гоби и Такламакан в Монголии и в китайской провинции Синьцзян, где очень мало воды и растительности. Этих столь разных животных объединяет способность хорошо переносить температуру выше 45°С, некомфортную для большинства млекопитающих. Боль от высокой температуры воспринимают рецепторы TRPV1, расположенные на мембранах соматосенсорных нейронов. Белок TRPV1 — длинная, сложно уложенная молекула (рис. 1). Два ее конца находятся внутри клетки, а центральная часть, состоящая из шести доменов, образует ионный канал. N-конец, утопающий в цитоплазме, состоит из так называемых анкириновых повторов, соединенных альфа-спиралями, на рисунке они пронумерованы. Высокая температура изменяет конформацию молекулы (термочувствительный модуль пока не нашли), канал открывается, поток ионов входит в клетку, и болевой сигнал отправляется в мозг.

pic_2017_06_30-3.jpg
1. Схема рецептора TRPV1. Звездочками показаны положения аминокислотных замен, снижающих чувствительность животных к высокой температуре

Толерантность к высокой температуре может быть связана с особенностями самих рецепторов, особенностями передачи сигналов или их восприятия в центральной нервной системе. Для выяснения этого вопроса объединили усилия специалисты нескольких лабораторий Медицинской школы Йельского университета под руководством Святослава Багрянцева и Елены Грачевой («Proceedings of the National Academy of Sciences»). Прежде всего они сравнили термочувствительность лабораторных мышей и сусликов и выяснили, что мыши ощущают явный дискомфорт при температуре 43—45°С, а суслики — при 55°С. Оказалось, что разницу в термочувствительности определяет именно белок TRPV1: хотя нейроны сусликов синтезируют его в достаточном количестве, на температуру ниже 45° их рецептор не реагирует.

Чтобы определить реакцию TRPV1 на раздражители, его гены клонировали и вводили в ооциты шпорцевых лягушек. На мембране ооцитов появлялись рецепторы, а исследователи измеряли, как меняется концентрация ионов в клетке при разных температурах. Если концентрация протонов увеличилась, значит, рецептор активировался и открыл ионный канал. TRPV1 реагирует не только на температуру, но и на жгучий алкалоид капсаицин и кислую среду, и к этим факторам рецептор сусликов сохранил чувствительность в полной мере.

Исследователи проверили таким же образом TRPV1 другого термофила, дикого двугорбого верблюда. Его рецептор тоже не реагирует на увеличение температуры от 22 до 46°С, сохраняя нормальную чувствительность к капсаицину.

Последовательности белка TRPV1 мыши, суслика и верблюда очень близки, а устойчивость к высокой температуре определяют две аминокислоты: аспарагин и глутаминовая кислота. Одна судьбоносная аминокислота находится в первом анкириновом повторе, другая — в альфа-спирали, соединяющей повторы 2 и 3 (рис. 1). У лабораторных грызунов этим аминокислотам соответствуют серин и глутамин. Замена хотя бы одной из двух аминокислот, аспарагина на серин или глутаминовой кислоты на глутамин, снижает термочувствительность верблюжьего рецептора до крысиного уровня. Одна мутация, и ему уже плохо в пустыне Гоби, то есть фактически он не верблюд, и никому ничего не докажешь!

И тринадцатиполосный суслик, и верблюд использовали для адаптации к высоким температурам один и тот же молекулярный механизм, причем очень простой и дешевый. Мутации влияют на структуру рецептора, нарушая связь между его термочувствительной частью, находящейся неизвестно где, и ионным каналом, и меняют условия его открытия. Однако в этом механизме еще не все ясно. У коровы, летучей мыши-вампира, цыпленка, рыбки данио, тихоокеанского крота рецепторы TRPV1 также содержат пару аспарагин/глутаминовая кислота, сохраняя при этом обычную высокую термочувствительность.

Вообще, рецептор TRPV1 известен своей пластичностью и легко перестраивается в зависимости от потребностей организма. У кур он реагирует на температуру не менее 46°С, поскольку температура тела птиц выше, чем у млекопитающих. А у летучих мышей вампиров TRPV1 активируется уже при 30°С, выполняя функции температурного датчика, помогающего вампиру обнаружить подкожные кровеносные сосуды на теле жертвы. Теперь мы знаем, как достигается такая пластичность.

Йельские ученые интересовались только термочувствительностью и обнаружили конвергенцию в строении рецепторов верблюда и суслика. Однако рецептор — лишь сенсор, облегчающий пребывание на жаре. Для адаптации к высоким температурам его пониженная чувствительность необходима, но недостаточна. Фактическая термостойкость требует более глубоких изменений в работе разных систем организма, и каковы они у суслика и верблюда, мы не знаем. Чтобы это выяснить, необходимы комплексные исследования. Примером таких исследований может служить работа китайских ученых, посвященная пандам.

pic_2017_06_30.jpg
Тринадцатиполосный суслик и дикий двугорбый верблюд

Путь к бамбуку

Китай славен пандами. Их две. Бело-черная большая панда Ailuropoda melanoleuca относится к семейству медвежьих (Ursidae), а красная панда Ailurus fulgens, животное немного крупнее кошки, — к семейству пандовых Ailuridae, подсемейству куницеподобных Musteloidea. Эволюционные пути этих видов разошлись более 43 млн лет назад, и объединяет их лишь одно обстоятельство. Будучи по своему систематическому положению и физиологическим особенностям хищниками, они питаются преимущественно бамбуком. Кормовой объект они выбрали неудачно — это на редкость непитательное растение. В нем всего 13,2% белков, 3,2% жиров и 3,3% растворимых углеводов. Остальное пищевые волокна и вода. Чтобы выжить на такой диете, необходимы специальные приспособления для эффективной утилизации корма.

То обстоятельство, что панды, состоящие в отдаленном родстве, перешли на бамбуковую диету независимо, делает их идеальной моделью для изучения конвергенции. Китайские исследователи под руководством профессора Зоологического института Китайской академии наук Фу-Вэнь Вэя заново секвенировали геном красной панды и уточнили последовательность генома большой панды. Сравнив затем две последовательности, они обнаружили 70 генов с конвергентными изменениями, которые позволили хищникам адаптироваться к вегетарианской диете («Proceedings of the National Academy of Sciences»). В своей статье они описали лишь несколько.

Итак, чтобы съесть бамбук, прежде всего его надо ухватить. Людям, имеющим противостоящий большой палец, это несложно. У хищников лапа устроена иначе. Для решения задачи обе панды отрастили себе шестой «псевдопалец», облегчающий захват (рис. 2).

pic_2017_06_31-3.jpg
2. Скелеты кисти красной (слева) и большой панд. Псевдопалец выделен черным

Развитие конечностей регулируют два гена, DYNC2H1 и PCNT, нарушение их функций ведет к полидактилии. В этих генах у обеих панд есть мутации, приведшие к конвергентной замене аминокислот. Их совместное действие, по мнению исследователей, может привести к образованию дополнительного псевдопальца. Одну из таких замен в гене DYNC2H1 ученые обнаружили только в генах большой и красной панд, хотя они анализировали последовательности 62 видов плацентарных млекопитающих.

Почти все незаменимые аминокислоты, жирные кислоты и витамины панды получают из бамбука. Поскольку это растение чрезвычайно бедно полезными веществами, извлекать их следует с особой эффективностью. В процесс расщепления белков вовлечены три гена, PRSS1, PRSS36 и CPB1, — они кодируют ферменты, относящиеся к классу сериновых протеаз. Поджелудочная железа выделяет их в тонкий кишечник. В результате конвергентных изменений эти ферменты особо успешно высвобождают из пищевых белков незаменимые аминокислоты лизин и аргинин, повышая таким образом питательную ценность бамбука.

Теперь витамины. Обе панды ночью активны почти так же, как днем. Чтобы видеть в темноте, необходим витамин А, без его участия не образуется белок ночного зрения родопсин. Но витамин А содержится только в мясе, и приходится животным довольствоваться его предшественником, бета-каротином, которым бамбук особенно беден. Конвергентные мутации в генах ADH1C и CYP3A5, участвующих в метаболизме витамина А, позволяют усилить его утилизацию.

Длительная вегетарианская диета приводит к дефициту витамина В12, который синтезируется исключительно кишечной микрофлорой. Недостаток В12 увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Пандам на помощь приходит гликопротеин GIF, выделяемый клетками слизистой оболочки желудка. Этот белок увеличивает эффективность всасывания витамина В12. А измененный фермент CYP4F2 активнее катализирует превращение арахидоновой кислоты в 20-гидроксиэйкозатетраеновую кислоту — важный субстрат для усиления антисклеротической активности эндотелиальных клеток сосудов. Возможно, это еще один способ компенсировать нехватку витамина В12.

Все гены, о которых шла речь, претерпели неслучайные конвергентные мутации, повлиявшие на активность соответствующих белков. Но этим дело не ограничилось. У обеих панд перестал функционировать один и тот же ген TAS1R1, кодирующий белок-рецептор вкуса умами. Этот вкус ощущают те, кто питается мясом и другими продуктами, богатыми белком. В генах TAS1R1 красной и большой панд произошли разные мутации, но итог один — вкус мяса они почувствовать не могут. Вот уж конвергенция так конвергенция!

Исследователи определили, что TAS1R1 красной панды утратил функциональность около 1,58 млн лет назад. Окаменевшие остатки бристольской панды Pristinailurus bristoli и других ископаемых представителей рода Parailurus, родственных красной панде, свидетельствуют о том, что эти животные включали растительность в свой рацион уже 7–4,5 млн лет назад. Потеря функции одного и того же гена и утрата рецептора произошла у красной и большой панд после того, как их диета стала отчасти растительной, что могло быть эволюционным ответом на переход к травоядности. Знать бы, что их к этому побудило.

pic_2017_06_31.jpg
Большая панда и красная (малая) панда

Кандидат биологических наук
Н.Л. Резник

Разные разности
Бактериофаги против дезодорантов
Метагеномный анализ кожной флоры позволил найти главного злоумышленника, виновного в резком запахе пота — это бактерии Staphylococcus hominis. Но можно ли от них избавиться, не убивая другие кожные бактерии? Исследователи предложили логичное реш...
Липучка против трипсов
Химики ищут замену инсектицидам, подсматривая за тем, как разные растения сами защищаются от вредных насекомых. Некоторые растения выделяют липкие вещества из так называемых железистых волосков. К ним прилипают насекомые-вредители и погибают. Эта стр...
Этанол против гриппа
Во время пандемии ковида в соцсетях распространилось видео, на котором наш соотечественник демонстрировал свой метод лечения ковида — ингаляцию парами этанола. Но тогда над ним посмеялись и отмахнулись. Похоже — зря. Японские исследователи ...
Пишут, что...
…за последнее десятилетие плотность тихоокеанских устриц Magallana gigas в двух заливах Южной Калифорнии увеличилась в 32 раза, что совпадает с летним повышением температуры морской воды на 2–4°C… …пластырь с микроиглами против ...