Начало > Эко новости > Осьминоги приспособились к холоду нестандартным способом
Осьминоги приспособились к холоду нестандартным способом
Нейроны генерируют нервные импульсы (потенциалы действия) благодаря слаженной работе мембранных белков - потенциал-зависимых натриевых и калиевых каналов. В спокойном состоянии снаружи от мембраны нейрона скапливаются ионы натрия, а внутри повышена концентрация ионов калия. При генерации потенциала действия сначала открываются натриевые каналы. Они впускают ионы натрия с наружной поверхности мембраны (где их много) в цитоплазму нейрона (где их мало). Затем открываются калиевые каналы, выпускающие из клетки скопившиеся там ионы калия. Эти ионные токи идут по градиенту концентрации ионов и не требуют энергетических затрат. После этого мембрана возвращается в исходное, рабочее состояние благодаря деятельности насосов-обменников, которые откачивают из клетки натрий и одновременно закачивают туда калий. На этот раз ионы перемещаются против градиентов (оттуда, где их меньше, туда, где их больше), поэтому процесс идет с затратой энергии АТФ.
Для того чтобы нейрон смог быстро вернуться в рабочее состояние, важно, чтобы калиевые каналы своевременно закрылись. Известно, что на их работу сильное влияние оказывает температура: на холоде калиевые каналы закрываются медленнее. Это значит, что, если пойкилотермное (не умеющее регулировать температуру тела) животное переселить из теплого климата в холодный, у него могут возникнуть проблемы с нервной системой. Медленное закрытие калиевых каналов приведет к тому, что потенциалы действия будут слишком растянуты во времени. Нейронам будет трудно производить серии из множества потенциалов действия, следующих один за другим, - а это именно то, чем большинство нейронов обычно и занимается.
Поэтому логично предположить, что в ходе эволюции у животных, приспособившихся к холодному климату, в генах калиевых каналов должны были закрепиться мутации, позволяющие нервной системе не "тормозить" на холоде. Биологи Сандра Гаретт (Sandra Garrett) и Джошуа Розенталь (Joshua Rosenthal) из Университета Пуэрто-Рико решили проверить это предположение, сравнив гены калиевых каналов Kv1 у двух осьминогов: тропического Octopus vulgaris и антарктического Pareledone sp. Осьминогов первого вида поймали на коралловых рифах Пуэрто-Рико, где температура воды колеблется от 25º до 30ºC. Антарктические осьминоги были пойманы возле станции Мак-Мёрдо, где морская вода не прогревается выше -1,8ºC.
Вопреки ожиданиям, гены калиевых каналов у осьминогов, живущих в столь контрастных условиях, оказались почти одинаковыми. Белки, кодируемые этими генами, отличаются четырьмя аминокислотами, однако данные отличия практически не влияют на работу калиевых каналов. Чтобы убедиться в этом, авторы экспрессировали (то есть заставили работать) осьминожьи гены в яйцеклетках шпорцевой лягушки Xenopus, а затем проверили реакцию калиевых каналов на изменения мембранного потенциала при разных температурах. Существенных различий в работе тропического и антарктического белка выявить не удалось.
Это значит, что либо калиевые каналы антарктического осьминога действительно не имеют специальных адаптаций к холоду (но тогда его нервная система должна работать неэффективно), либо адаптация всё же есть, но реализована она не путем закрепления мутаций непосредственно в гене калиевого канала, а как-то иначе.
Белок можно модифицировать, не меняя его ген, при помощи посттранскрипционной обработки матричных РНК (мРНК), считанных с этого гена. Известно, что в нервной системе животных молекулы мРНК, считанные с генов ионных каналов и рецепторов, нередко подвергаются редактированию. Самым распространенным у животных способом редактирования РНК является дезаминирование аденозинов. В ходе этого процесса специальные ферменты превращают некоторые нуклеотиды А (аденозины) в инозины. По существу, это равносильно замене А на Г, потому что инозин интерпретируется системой трансляции как гуанозин (Г). В результате структура белка может быть изменена. Например, если исходная мРНК содержала тройку нуклеотидов АУУ, но при редактировании аденозин (А) заменился инозином, то система трансляции "прочтет" триплет как ГУУ, и в получившейся молекуле белка на месте изолейцина (кодируемого триплетом АУУ) будет стоять другая аминокислота - валин, которому соответствует триплет ГУУ.
Используют ли осьминоги редактирование РНК для модификации своих калиевых каналов? Для ответа на этот вопрос авторы выделили из нейронов обоих осьминогов по 50 молекул мРНК калиевого канала Kv1 и сравнили нуклеотидные последовательности этих мРНК с той, что записана в ДНК.
Оказалось, что оба вида действительно заменяют некоторые аденозины в мРНК калиевых каналов инозинами. У антарктического осьминога редактированию подвергаются 18 аденозинов, причем в девяти случаях получается синонимичная (молчащая) замена, а в других девяти - меняется аминокислота в белке. У теплолюбивого осьминога обнаружено 15 "сайтов редактирования", в том числе 5 синонимичных и 10 значимых. Семь значимых сайтов редактирования являются общими для обоих видов, три уникальны для теплолюбивого вида, два - для антарктического. Каждый сайт подвергается редактированию не во всех молекулах мРНК, а лишь в какой-то их части (от 10 до 98%).
Теперь нужно было выяснить, связано ли редактирование мРНК с адаптацией к температуре. В этом случае те изменения, которые вносят в свои мРНК антарктические осьминоги, должны ускорять работу калиевого канала, тогда как редактирование, осуществляемое тропическим видом, должно оказывать противоположный эффект (если это адаптация к жизни в очень теплой воде).
Изучение работы "отредактированных" осьминожьих калиевых каналов в яйцеклетках шпорцевой лягушки подтвердило это предположение. Как выяснилось, самым сильным эффектом обладает характерная для антарктического осьминога замена изолейцина валином в позиции 321 (I321V). В результате такого редактирования калиевый канал закрывается вдвое быстрее, что позволяет нейрону быстро восстанавливать работоспособность при низких температурах.
Для проверки своих выводов авторы выделили ДНК и РНК еще из шести видов осьминогов, обитающих в тропических, умеренных и арктических водах. У всех этих видов, как и у первых двух, в геномной ДНК "записано", что в позиции 321 в калиевом канале должен стоять изолейцин. И у всех этих видов какая-то часть молекул мРНК подвергается редактированию, в результате которого изолейцин в этой позиции заменяется валином. Как и следовало ожидать, частота такого редактирования оказалась напрямую связана с температурой: чем холоднее вода, где живет осьминог, тем чаще редактируется в этом месте мРНК калиевого канала.
Таким образом, авторам впервые удалось показать, что редактирование РНК помогает приспосабливаться к внешним условиям (температуре). Ранее было известно, что этот механизм, возможно, используется животными (мухами и грызунами) в ходе индивидуального развития: некоторые гены могут по-разному редактироваться на разных стадиях эмбриогенеза и в разных частях тела.
Осталось неизвестным, используют ли осьминоги редактирование РНК для быстрой, прижизненной адаптации к перепадам температуры или только для долговременной адаптации в череде поколений. В первом случае у них в геноме должна быть "прописана" гибкая система регуляции редактирования РНК в зависимости от температуры воды. Во втором случае должны быть жестко фиксированные наследственные программы редактирования, различающиеся у холодноводных и тепловодных видов. Конечно, возможны промежуточные варианты: наследственные программы редактирования, допускающие определенную степень свободы.
По-видимому, именно в этой дополнительной свободе и состоит главное преимущество редактирования РНК по сравнению с "классическим" способом адаптации - закреплением мутаций непосредственно в самом гене калиевого канала. Кроме того, редактирование повышает разнообразие калиевых каналов у одного и того же организма, что тоже может иметь какой-то адаптивный смысл. Если бы у холодноводных осьминогов под действием отбора зафиксировалась мутация в гене калиевого канала, меняющая изолейцин на валин в 321‑й позиции, то после этого у них все калиевые каналы несли бы эту мутацию (и работали одинаково быстро). Однако у реальных арктических и антарктических осьминогов не все молекулы мРНК подвергаются соответствующему редактированию, а лишь 70-90%. В результате у них остается 10-30% неизмененных, "медленных" калиевых каналов с изолейцином. Приносит ли это осьминогам какую-то пользу - покажут дальнейшие исследования.