Высушивание, или обезвоживание, — серьёзное испытание для любого организма, ведь жизнь существует благодаря воде: все биохимические и молекулярные процессы идут в водной среде. И всё же жизнь освоила такие экологические ниши, где время от времени приходится сталкиваться с дефицитом воды. Переносить нехватку влаги могут бактерии, археи, растения. Среди животных устойчивостью к обезвоживанию славятся коловратки, тихоходки, нематоды. Есть такая способность и у комаров-звонцов. Однако только один вид комара, Polypedilum vanderplanki, способен выживать при обезвоживании, и это выделяет его вообще среди всех насекомых.
Способность высушенных личинок этого вида комара возвращаться к жизни изучали на МКС (эксперимент «SpaceMidge» — «Космический комар»). Туда их доставили высушенными, а спустя две недели личинок оживили и стали наблюдать, как они развиваются на орбите. Параллельные наблюдения за высушенным мотылём вели на Земле. Такие эксперименты позволяют узнать, какие защитные механизмы срабатывают в организмах, когда они испытывают стресс. Кроме того, в космосе мы можем «от противного» понять, как земные условия сформировали жизнь. Ведь космос, где практически отсутствует гравитация, а радиационный фон, напротив, повышен, — самое неподходящее для жизни место.
Сравнив P. vanderplanki с каким-нибудь близкородственным видом, можно узнать, что за молекулярно-генетические механизмы задействованы в «засухоустойчивости».
Кандидат биологических наук Олег Гусев из Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета вместе с коллегами из Московского государственного университета, японского Национального института агробиологических наук и Института космической науки и астронавтики Японского космического агентства сравнили генетический аппарат двух близкородственных видов комаров-звонцов: P. vanderplanki и P. nubifer. Первый обладает устойчивостью к высушиванию, второй — нет.
Оказалось, что у комара P. vanderplanki в геноме есть целые острова, или кластеры, генов, чья активность резко повышается при обезвоживании. В этих кластерах видное место занимают гены так называемых шапероноподобных белков* LEA (late embryogenesis abundant), которые в условиях иссушающего стресса защищают другие белки и мембранные структуры от повреждений. Известно, что LEA-белки есть у растений и животных, которым приходится сталкиваться с обезвоживанием, однако у насекомых их до сих пор не видели. Откуда же тогда они появились у P. vanderplanki? Оказалось, что у комаров LEA-белки очень похожи на белки бактерий. Личинки комаров питаются бактериями, и когда-то в прошлом насекомые могли позаимствовать микробные гены посредством горизонтального переноса: бактериальная ДНК встроилась в ДНК личинки как раз в тот момент, когда личинка заделывала в геноме повреждения, произведённые стрессом.
Другой компонент защиты комаров от иссушения — гены антиоксидантных белков. Они есть не только у P. vanderplanki, но и у P. nubifer, однако у «засухоустойчивого» вида этих генов 52, а у «незасухоустойчивого» — 29. У «засухоустойчивого» вида гены антиоксидантных белков в большей степени вовлечены в защиту от обезвоживания и с большей специфичностью реагируют именно на такой стресс. Дополнительно некоторые гены у P. vanderplanki «отредактированы» эволюцией так, чтобы реагировать на обезвоживание. Это касается, в частности, генов PIMT — специальных ферментов, которые ремонтируют повреждённые белковые молекулы. Ферменты PIMT есть у большинства живых организмов, и они довольно консервативны, то есть у разных организмов PIMT очень похожи. Их активность повышает устойчивость животных к стрессу и увеличивает продолжительность жизни. «Засухоустойчивые» комары обзавелись аж 13 копиями генов PIMT против всего одной копии у обычных P. nubifer. Однако лишь некоторые из дополнительных копий у P. vanderplanki непосредственно реагируют на обезвоживание. В статье, опубликованной в «Nature Communications», авторы отмечают, что у P. vanderplanki генам PIMT пришлось, что называется, проявить разнообразие: несмотря на свою консервативность, некоторые из ферментов приобрели особенности в структуре, что могло повлиять на их субстратную специфичность. Это значит, что они стали выполнять те же химические превращения, что и раньше, но с другими видами молекул, то есть с другим субстратом. Такие разновидности ферментов с изменённой субстратной специфичностью могли стать хорошим инструментом в борьбе с последствиями обезвоживания.
Ещё более интересной оказалась ситуация с гемоглобинами комаров (напомним, что гемоглобины — это белки, транспортирующие кислород). У всех наземных позвоночных гемоглобины циркулируют по крови в специальных кровяных клетках, обеспечивая газообмен в тканях организма. У насекомых же всё не так: жидкость, которая циркулирует у них по сосудам и межклеточному пространству (и которая называется гемолимфой), вообще лишена газообменных белков. Доставка кислорода к клеткам осуществляется сложной системой трубочек-трахей, пронизывающих всё тело. Но комары-звонцы и тут отличились — они единственные из насекомых, у которых в гемолимфе есть белки, используемые для газообмена. Вероятно, гемоглобины нужны личинкам, чтобы иметь запас кислорода на случай гипоксии (например, если уровень кислорода в среде обитания — воде — резко упадёт). У «засухоустойчивых» P. vanderplanki гемоглобиновых генов оказалось опять-таки больше, чем у родственного вида, однако реагировали эти гены на обезвоживание по-разному: у некоторых из них активность при дегидратации возрастала, у других, наоборот, падала. Падение активности можно объяснить тем, что в высушенном состоянии газообменных белков нужно не так много; гораздо большую загадку представляют те гемоглобиновые гены, активность которых возрастает. Исследователи полагают, что именно гемоглобины с активирующихся генов разносят кислород по обезвоженным тканям или же могут защищать клетки от сильного окислительного стресса, сопутствующего дегидратации.
Наконец, и углеводный обмен у P. vander-planki и P. nubifer несколько различался: у «засухоустойчивого» вида усиливался синтез сахара трегалозы и падала активность ферментов, которые её расщепляют. Трегалоза защищает клетки при дегидратации и в некоторых случаях служит заместителем воды, так что нет ничего удивительного в том, что P. vanderplanki усиливают её синтез при обезвоживании.
У комаров-звонцов есть и другие особенности генетического аппарата и молекулярной «кухни». Но главное, что обусловливает их устойчивость к обезвоживанию, — это изменения в активности и организации генов, помогающих справиться со стрессом. Подобные гены есть у многих животных, но у комаров-звонцов их, во-первых, больше, во-вторых, они активнее отвечают на недостаток воды. В-третьих, «засухоустойчивые» гены оказались сгруппированы в блоки-кластеры, а это позволяет управлять активностью нужных генов «оптом». Наконец, нельзя ещё раз не отметить, что некоторые гены попали к комарам от бактерий. Это указывает на важную роль горизонтального переноса генов в эволюции эукариот (живых организмов, клетки которых содержат ядра). А ведь относительно недавно горизонтальный перенос считался маргинальным явлением, не оказывающим влияния на эволюцию не то что эукариот, но даже бактерий.
Так что комары наглядно демонстрируют молекулярные механизмы эволюции, а именно то, откуда берутся адаптивные гены. Однако биологам ещё предстоит выяснить, как именно все эти шапероноподобные, антиоксидантные, газообменные и другие белки защищают организм личинки от обезвоживания. Такие же или подобные молекулярные механизмы могут работать и в клетках других организмов, в том числе и у человека. И тогда, используя личинку комара как модельный организм, можно создать новые, более эффективные методы хранения живых клеток и тканей без использования низких температур и искусственных консервантов.
Комментарии к статье
* Белки шаперóны (от англ. chaperones) — класс белков, главная функция которых состоит в восстановлении правильной структуры белков (третичной или четвертичной).
