Доросла особина комара-звонца. Личинки комарів-звонцов живуть в придонному мулі. Відомі вони під назвою «мотиль» і використовуються як корм для риб. Фото Андрія Бутко. Wikimedia Commons.
Виникла в ході еволюції різниця в пристрої генетичного апарату двох видів комарів-звонцов.
<
>
Висушування, або зневоднення, - серйозне випробування для будь-якого організму, адже життя існує завдяки воді: все біохімічні та молекулярні процеси йдуть у водному середовищі. І все ж життя освоїла такі екологічні ніші, де час від часу доводиться стикатися з дефіцитом води. Переносити брак вологи можуть бактерії, археї, рослини. Серед тварин стійкістю до зневоднення славляться коловертки, тихоходки, нематоди. Є така здатність і у комарів-звонцов. Однак тільки один вид комара, Polypedilum vanderplanki, здатний виживати при зневодненні, і це виділяє його взагалі серед всіх комах.
Здатність висушених личинок цього виду комара повертатися до життя вивчали на МКС (експеримент «SpaceMidge» - «Космічний комар»). Туди їх доставили висушеними, а через два тижні личинок оживили і стали спостерігати, як вони розвиваються на орбіті. Паралельні спостереження за висушеним мотилем вели на Землі. Такі експерименти дозволяють дізнатися, які захисні механізми спрацьовують в організмах, коли вони відчувають стрес. Крім того, в космосі ми можемо «від противного» зрозуміти, як земні умови сформували життя. Адже космос, де практично відсутній гравітація, а радіаційний фон, навпаки, підвищений, - самий невідповідний для життя місце.
Порівнявши P. vanderplanki з яким-небудь близькоспоріднених видом, можна дізнатися, що за молекулярно-генетичні механізми задіяні в «посухостійкості».
Кандидат біологічних наук Олег Гусєв з Інституту фундаментальної медицини та біології Казанського федерального університету разом з колегами з Московського державного університету, японського Національного інституту агробіологічних наук і Інституту космічної науки і астронавтики Японського космічного агентства порівняли генетичний апарат двох близькоспоріднених видів комарів-звонцов: P. vanderplanki і P. nubifer. Перший має стійкість до висушування, другий - ні.
Виявилося, що у комара P. vanderplanki в геномі є цілі острови, або кластери, генів, чия активність різко підвищується при зневодненні. У цих кластерах чільне місце займають гени так званих шапероноподобних білків * LEA (late embryogenesis abundant), які в умовах иссушающего стресу захищають інші білки і мембранні структури від пошкоджень. Відомо, що LEA-білки є у рослин і тварин, яким доводиться стикатися з зневодненням, однак у комах їх досі не бачили. Звідки ж тоді вони з'явилися у P. vanderplanki? Виявилося, що у комарів LEA-білки дуже схожі на білки бактерій. Личинки комарів харчуються бактеріями, і колись в минулому комахи могли запозичити мікробні гени за допомогою горизонтального переносу: бактеріальна ДНК вбудувалася в ДНК личинки якраз в той момент, коли личинка закладають в геномі пошкодження, вироблені стресом.
Інший компонент захисту комарів від осушення - гени антиоксидантних білків. Вони є не тільки у P. vanderplanki, а й у P. nubifer, однак у «посухостійкість» виду цих генів 52, а у «непосухостійка» - 29. У «посухостійкість» виду гени антиоксидантних білків в більшій мірі залучені в захист від зневоднення і з більшою специфічністю реагують саме на такий стрес. Додатково деякі гени у P. vanderplanki «відредаговані» еволюцією так, щоб реагувати на зневоднення. Це стосується, зокрема, генів PIMT - спеціальних ферментів, які ремонтують пошкоджені білкові молекули. Ферменти PIMT є у більшості живих організмів, і вони досить консервативні, тобто у різних організмів PIMT дуже схожі. Їх активність підвищує стійкість тварин до стресу і збільшує тривалість життя. «Посухостійкі» комарі обзавелися аж 13 копіями генів PIMT проти всього однієї копії у звичайних P. nubifer. Однак лише деякі з додаткових копій у P. vanderplanki безпосередньо реагують на зневоднення. У статті, опублікованій в «Nature Communications», автори відзначають, що у P. vanderplanki генам PIMT довелося, що називається, проявити різноманітність: незважаючи на свою консервативність, деякі з ферментів придбали особливості в структурі, що могло вплинути на їх субстратне специфічність. Це означає, що вони стали виконувати ті ж хімічні перетворення, що і раніше, але з іншими видами молекул, тобто з іншим субстратом. Такі різновиди ферментів зі зміненою субстратной специфічністю могли стати хорошим інструментом в боротьбі з наслідками зневоднення.
Ще цікавішою виявилася ситуація з гемоглобінами комарів (нагадаємо, що гемоглобіни - це білки, що транспортують кисень). У всіх наземних хребетних гемоглобіни циркулюють по крові в спеціальних кров'яних клітинах, забезпечуючи газообмін в тканинах організму. У комах ж все не так: рідина, яка циркулює у них по судинах і міжклітинному просторі (і яка називається гемолімфою), взагалі позбавлена газообменних білків. Доставка кисню до клітин здійснюється складною системою трубочок-трахей, що пронизують все тіло. Але хірономіди і тут відзначилися - вони єдині з комах, у яких в гемолімфі є білки, які використовуються для газообміну. Ймовірно, гемоглобіни потрібні личинкам, щоб мати запас кисню на випадок гіпоксії (наприклад, якщо рівень кисню в середовищі існування - воді - різко впаде). У «засухостійких» P. vanderplanki гемоглобінових генів виявилося знову-таки більше, ніж у спорідненого виду, однак реагували ці гени на зневоднення по-різному: у деяких з них активність при дегідратації зростала, у інших, навпаки, падала. Падіння активності можна пояснити тим, що у висушеному стані газообменних білків потрібно не так багато; набагато більшу загадку представляють ті гемоглобіновие гени, активність яких зростає. Дослідники вважають, що саме гемоглобіни з активуються генів розносять кисень по зневоднених тканин або ж можуть захищати клітини від сильного окисного стресу, супутнього дегідратації.
Нарешті, і вуглеводний обмін у P. vander-planki і P. nubifer кілька відрізнявся: у «посухостійкість» виду посилювався синтез цукру трегалози і падала активність ферментів, які її розщеплюють. Трегалоза захищає клітини при дегідратації і в деяких випадках служить заступником води, так що немає нічого дивного в тому, що P. vanderplanki підсилюють її синтез при зневодненні.
У комарів-звонцов є й інші особливості генетичного апарату і молекулярної «кухні». Але головне, що обумовлює їх стійкість до зневоднення, - це зміни в активності і організації генів, які допомагають впоратися зі стресом. Подібні гени є у багатьох тварин, але у комарів-звонцов їх, по-перше, більше, по-друге, вони активніше відповідають на недолік води. По-третє, «посухостійкі» гени виявилися згруповані в блоки-кластери, а це дозволяє управляти активністю потрібних генів «оптом». Нарешті, не можна ще раз не відзначити, що деякі гени потрапили до комарам від бактерій. Це вказує на важливу роль горизонтального переносу генів в еволюції еукаріот (живих організмів, клітини яких містять ядра). А адже відносно недавно горизонтальний перенос вважався маргінальним явищем, що не робить впливу на еволюцію не те що еукаріот, але навіть бактерій.
Так що комарі наочно демонструють молекулярні механізми еволюції, а саме те, звідки беруться адаптивні гени. Однак біологам ще належить з'ясувати, як саме всі ці шапероноподобние, антиоксидантні, газообмінні і інші білки захищають організм личинки від зневоднення. Такі ж або подібні молекулярні механізми можуть працювати і в клітинах інших організмів, у тому числі і у людини. І тоді, використовуючи личинку комара як модельний організм, можна створити нові, більш ефективні методи зберігання живих клітин і тканин без використання низьких температур і штучних консервантів.
Коментарі до статті
* Білки шаперóни (від англ. Chaperones) - клас білків, головна функція яких полягає у відновленні правильної структури білків (третинної або четвертинної).
Vanderplanki?