Клеточные биологи из Университета Торонто (U of T) обнаружили, что животные могут адаптировать свою способность видеть даже при резких перепадах температуры.
Исследователи внимательно изучили глаза сома, живущего в холодноводных ручьях на высоте почти трех километров в Андах, чтобы выяснить, как это сделать. Их выводы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Зрение инициируется, когда несколько химических белков в сетчатке активируются. Это ключевая сенсорная система, которая позволяет организмам адаптироваться к окружающей среде, как это сделали касатки, чтобы улучшить свою способность видеть под водой в преимущественно голубом свете. Изучая влияние низких температур на среду обитания андских сомов, группа исследователей под руководством биолога-эволюциониста Белинды Чанг из Университета штата Техас изучала роль белка, известного как родопсин, который обеспечивает зрение при тусклом свете.
Они обнаружили, что родопсин выполняет и другую функцию: он увеличивает скорость, с которой происходит зрение у рыб, живущих на самых высоких и, следовательно, самых холодных высотах.
«Когда мы думаем об адаптации зрительной системы, свет и цвет обычно являются первыми переменными, которые приходят на ум», - сказал Чанг, профессор кафедры экологии и эволюционной биологии, а также клеточной и системной биологии в Университете Нью-Йорка. Т. «Эти результаты добавляют новое измерение к вопросу о том, как сложные биологические процессы могут адаптироваться к экстремальным условиям."
Зрение имеет решающее значение для выживания этих ночных животных. У высокогорных рыб изменились скорости химических реакций с участием белка. Кинетические показатели ускорились, чтобы компенсировать снижение температуры окружающей среды.
Ученые объясняют, что это открытие поддерживает установившуюся тенденцию в метаболических ферментах, которые также демонстрируют ускоренную кинетическую скорость в ответ на холодную окружающую среду. У теплокровных людей тело должно компенсировать экстремальный холод, вырабатывая тепло за счет повышенного метаболизма и кинетических движений, таких как дрожь.
«Низкие температуры замедляют скорость биохимических реакций», - сказал ведущий автор Джанни Кастильоне, бывший аспирант и нынешний научный сотрудник исследовательской группы Чанга. «Мы десятилетиями знали, что температура влияет на зрение, но мы никогда полностью не понимали, могла ли эволюция приспособиться к этому на молекулярном уровне и каким образом."
Гипотеза группы заключалась в том, что, проследив следы эволюции с помощью компьютерных моделей, анализирующих закономерности в ДНК животных, они могли понять, как адаптация к холоду может происходить в таком сложном сенсорном белке, как родопсин.
«Мы обнаружили, что естественный отбор нацелен на два сегмента белка, которые, как известно, контролируют кинетическую скорость. Это говорит о том, что эволюция использовала биохимию родопсина как способ изменить его функцию на больших высотах», - сказал Кастильоне..
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи манипулировали ДНК нескольких образцов рыб, ранее собранных Натаном Луджаном на кафедре биологических наук Университета Торонто в Скарборо. Они создали мутации в белке родопсина, заменив аминокислоты, присутствующие в образцах, найденных на более низких высотах, на редкие варианты, обнаруженные в высокогорных разновидностях. Так они подтвердили, что высотные мутации, хотя и оказывающие лишь ограниченное влияние на связанные со светом и цветом функции родопсина, значительно ускоряют кинетические свойства белка, определяющие зрительные функции у хладнокровных животных.
«По сути, мы исследовали немодельные организмы, которые обычно не изучаются учеными, что может быть полезным способом подойти к важным вопросам эволюционной биологии», - говорит соавтор и кандидат наук Фрэнсис Хаузер. «Наши результаты показывают, что при изучении эволюции сложных белков следует учитывать многочисленные влияния окружающей среды».
Важность демонстрации этой тенденции в отношении родопсина заключается в том, что сам белок представляет собой огромное семейство других белков с аналогичными функциями во всем теле животного. Эта группа, известная как рецепторы, связанные с G-белком, также образует одну из крупнейших и наиболее важных мишеней для лекарств в современных методах лечения заболеваний человека. Таким образом, их подход и результаты могут также способствовать лучшему пониманию того, как генетические мутации могут вызывать болезни человека.
«Что особенно интересно в этом, так это то, что естественный отбор модифицировал функцию белка, косвенно влияя на структурные области, которые обычно вызывают заболевания человека при мутации», - сказал Чанг.«Поскольку высотные мутации находятся на периферии этих регионов, они не были сразу очевидными целями естественного отбора, и нам нужно было экспериментально подтвердить их влияние на функцию белка..
"Наш междисциплинарный подход к науке о белках опирается на подсказки эволюции, чтобы раскрыть новые аспекты структуры и функции белка, которые трудно обнаружить с помощью традиционных подходов."