Люди и плодовые мушки реагируют на одни и те же вкусы - сладкий, соленый, горький и так далее. Однако рецепторы, которые идентифицируют эти вещества, сильно различаются у нас и насекомых. Кроме случаев, когда дело доходит до кислого.
В новом исследовании постдокторант Аниндя Гангули и почетный профессор Крейг Монтелл из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре идентифицируют и описывают вкусовые рецепторы, чувствительные к кислотности у плодовых мушек. Белок принадлежит к той же группе, что и кислые рецепторы человека, семейству ионных каналов, известному как отопетрин. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Что интересно в этой статье, так это то, что она решает очень давний вопрос о том, что такое кислый рецептор у насекомого», - сказал Монтелл, профессор Даггана на кафедре молекулярной, клеточной и биологии развития Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. «И оказывается, что, в отличие от других вкусовых рецепторов, этот был законсервирован в течение 800 миллионов лет с тех пор, как мухи и люди в последний раз имели общего предка».
Находка указывает на то, что ощущение кислоты - вкус, который мы интерпретируем как кислый, - должно быть очень важно для выживания. Возможно, еще более удивительно, что многие другие важные вкусовые пути не сохраняются у мух и людей, поскольку неродственные рецепторы обнаруживают многие из одних и тех же химических веществ.
Идентификация рецепторов кислого вкуса до сих пор оставалась загадкой. По словам Монтелла, еще несколько лет назад никто не знал о рецепторах кислого вкуса у животных. И отопетрин не был бы очевидным кандидатом. Не было известно, что они вообще играют какую-либо роль во вкусе, до недавнего открытия, что они участвуют в кислом вкусе млекопитающих, сделанного профессором Эмили Лиман из Университета Южной Калифорнии, соавтором этого последнего исследования..
У дрозофил есть три отопетрина: OtopLA, OtopLB и OtopLC. Команда обнаружила, что подавление экспрессии гена OtopLA сильно ухудшает поведение мух по отношению к кислотам. Эти мухи не могли распознать кислотность различных кислотно-сахарных растворов, которые им предлагали. Действительно, мутанты проявляли гораздо меньшую активность вкусовых нейронов, когда их показывали кислыми растворами сахара.
Более того, OtopLA играет двойную роль в поведении мух. Это имеет решающее значение для влечения насекомых к слабокислой пище, а также их отвращения к сильнокислой пище. Несмотря на то, что рецептор отвечает на стимул, именно нейроны и их соединения сообщают мозгу, как его интерпретировать. Например, если вы экспрессируете рецептор для горьких соединений в сладком нейроне, а затем даете мухам что-то горькое, насекомое, вероятно, это съест. «Важно не вещество, а нейроны и области мозга, которые оно активирует», - сказал ведущий автор Гангули. Вот почему одно химическое вещество может вызывать положительную или отрицательную реакцию в зависимости от его концентрации.
Теперь, когда команда знала, на каком Otop сосредоточиться, они посмотрели, где OtopLA выражается во вкусовой системе мухи. По словам Монтелла, у мух пять нейронов вкусового ответа (GRN).
- - GRN активируются привлекательными стимулами, такими как сахар;
- - B GRN стимулируются горькими соединениями;
- - C GRN реагируют на воду;
- - D GRN обнаруживают положительные ионы, такие как кальций;
- - E GRN реагируют на низкий уровень соли.
Исследователи обнаружили, что OtopLA экспрессируется в GRN A, B, C и D.
С помощью дополнительных экспериментов команда определила, что рецептор OtopLA в GRN B и D отвечает за отвращение насекомых к сильнокислотным веществам. Между тем, восстановление белка в GRN A или C вернуло мухе влечение к слабым кислотам. Это говорит о том, что вкусовая система мухи имеет порог кислотности. Если уровни низкие, то побеждает притяжение GRN A и C. С другой стороны, отталкивание B и D GRN побеждает, когда кислотность высокая.
Функции двух других отопетринов мух до сих пор остаются загадкой, и исследователям не терпится заняться этим вопросом.
Идентификация отопетрина как кислого рецептора стала неожиданностью. Белки были первоначально идентифицированы в вестибулярной системе мышей. Их роль во вкусе - еще один пример естественного отбора, когда белок, используемый в одном органе, используется для совершенно другой функции в другом. Эволюция не изобретатель и не инженер; это ремесленник, работающий с кусочками, которые у него есть под рукой.
OtopLA на самом деле не первый вкусовой рецептор, который ученые связали с кислотами. В начале 2019 года группа обнаружила, что белок IR7a также реагирует на кислотность. Однако IR7a специфически обнаруживает уксусную кислоту, основной компонент уксуса. OtopLA, с другой стороны, реагирует на любые кислые условия.
Специфика IR7a может работать в тандеме с OtopLA, позволяя мухам избегать потенциально опасных продуктов. «Мухи питаются перезрелой пищей, - объяснил Гангули. «Перезревший - всего в шаге от гнилого, а гнилой корм вреден для мух». IR7a может помочь плодовым мушкам различать разные кислоты, которые могут возникать в результате разных химических процессов. Например, одни бактерии производят уксусную кислоту, а другие - молочную.
Ученые также идентифицировали три отопетрина у людей и мышей, хотя они напрямую не соответствуют трем у плодовых мушек. Тем не менее, использование отопетринов для кислого вкуса предполагает, что этот механизм обнаружения кислот развился рано и сохранялся в течение сотен миллионов лет. Возможно, существовал наследственный ген отопетрина, который был продублирован и эволюционировал в разновидности, существующие сегодня.
Выводы поднимают вопрос о том, необходимы ли рецепторы отопетрина повсеместно для кислого вкуса у животных. Если это правда, то это сделало бы этот белок уникальным среди хеморецепторов, сказал Монтелл.