Конвергенция

Наталья Резник,

«Химия и жизнь» №6, 2017

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

Дикий двугорбый верблюд

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.

Рис. 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 (Willem J. Laursen et al. Low-cost functional plasticity of TRPV1 supports heat tolerance in squirrels and camels // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113, 11342–11347, doi: 10.1073/pnas.1604269113). 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.

Тринадцатиполосный суслик

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.

Путь к бамбуку

Большая панда

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.

Красная (малая) панда

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 (Yibo Hu et al. Comparative genomics reveals convergent evolution between the bamboo-eating giant and red pandas // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114, 1081–1086, doi:10.1073/pnas.1613870114). 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).

Рис. 2. Скелеты кисти красной (сверху) и большой панд. Псевдопалец выделен серым

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.