Личинки губок видят нетрадиционным способом
Плавательная активность личинок губок регулируется светом, и считалось, что органом, ответственным за фототаксис, является кольцо из пигментированных клеток на одном из полюсов личинки. Однако полученные недавно результаты по секвенированию полного генома губки Amphimedon queenslandica показали полное отсутствие генов опсинов. Ученые предлагают альтернативный вариант фоторецепторного аппарата губок на основе белков криптохромов. Один из двух генов криптохромов, Aq‑Cry2, который экспрессируется в пигментных клетках кольца у личинки, является хорошим кандидатом на роль фоторецептора.
У многоклеточных животных зрение возникало в процессе эволюции по крайней мере 60 раз. Этот факт сам по себе удивителен, но еще более восхищает то, что возникавшее конвергентным путем зрение имело много общих черт у самых разных животных. Например, фоточувствительные рецепторы глаз всех известных многоклеточных представляют собой белки опсины. В результате поглощения квантов света опсинами запускается цепь биохимических реакций, которые приводят к изменению потенциала фоторецепторных клеток. До последнего времени этот механизм считался универсальным, пока ученые из США и Австралии не задались целью исследовать пигментные кольца личинок примитивного многоклеточного, губки Amphimedon queenslandica, обитающей на Большом Барьерном рифе.
Личинки губок подвижны; основная их функция — расселение. Как и у других видов губок, личинкиA. queenslandica ориентируются по свету, чтобы найти место для прикрепления на морском дне и превратиться во взрослый организм. Ранее было показано, что световую чувствительность личинки обеспечивают пигментные клетки, образующие кольцо на одном из ее полюсов. Личинки лучше всего реагировали на свет длиной волны около 440 нм, то есть в самой коротковолновой области видимого излучения.
Казус заключался в том, что в полностью прочитанном геноме A. queenslandica не было обнаружено гена опсина. Заинтригованные этим фактом, ученые задались вопросом, не может ли другой белок выполнять функцию фотопигмента у губок. Возможным кандидатом стал белок криптохром. Почему именно он? Криптохромы чувствительны к синему свету, и обеспечивается эта чувствительность двумя хромофорными группами, флавином и птерином, способными переходить в возбужденное состоянии при попадании кванта света (напомним, что хромофорной группой опсинов является ретиналь). Криптохромы описаны у самых разных организмов — бактерий, растений и животных. Известно, что у дрозофилы и мыши они участвуют в регуляции циркадных ритмов, а у кораллов — в регуляции полового размножения, которое зависит от лунного цикла. У ряда животных криптохромы также задействованы в механизме восприятия магнитного поля.
Криптохромы родственны древним ферментам фотолиазам, которые встречаются как у одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Эти замечательные ферменты способны восстанавливать поврежденные ультрафиолетовым светом ДНК, причем их восстановительная активность запускается синим светом. У биологов была задача не только идентифицировать криптохромы A. queenslandica, но и проверить их способность к восстановлению порченой ДНК. Неспособность к восстановлению была бы хорошим подтверждением того, что криптохромы выполняют иную функцию, например, фоторецепторную.
У A. queenslandica были выделены два гена криптохромов, Aq‑Cry1 и Aq‑Cry2. Эти гены хорошо сгруппированы на филогенетическом древе вместе с отсеквенированными ранее генами криптохромов нескольких видов губок, и формируют отдельную кладу. Авторы предположили, что два генаA. queenslandica разошлись 650–800 млн лет назад путем дупликации. Чтобы проверить их фотолиазную активность, эти гены заставили работать в особых штаммах бактерий, не способных восстанавливать поврежденную ультрафиолетом ДНК. Что же получилось? Для одного из генов, Aq‑Cry2, фотолиазной активности обнаружено не было.
Рис. 1. Экспрессия гена Aq‑Cry1 на разных стадиях развития личинки A. queenslandica. A, B — стадия ранней гаструлы; C, D — после гаструляции экспрессия гена наиболее выражена в клетках наружного слоя; E–G — на стадии образования кольца экспрессия гена выражена в клетках эпителиального слоя и внутри кольца; H, I — личинка перед вылуплением; J–M — у плавающей личинки экспрессия наблюдается в субэпителиальных клетках и клетках внутри кольца. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology
Кроме того, авторы исследовали работу обоих генов на разных стадиях развития личинки, использовав распространенный метод гибридизации in situ. На ранних этапах развития эмбриона характер экспрессии обоих генов (то есть образования белка из ДНК) оказался сходен: клетки с работающими генами относительно равномерно были рассеяны в эмбрионе (рис. 1, 2, А–В). Но на этапе формирования пигментированного кольца транскрипты (молекулы РНК, образовавшиеся в результате считывания с ДНК) Aq‑Cry2 концентрировались вблизи кольца (рис. 2, С–Е), тогда как транскрипты Aq‑Cry1 были равномерно рассеяны в эпителиальном слое эмбриона и почти отсутствовали в области пигментного кольца (рис. 1, Е–G). Такое распределение сохранялось до момента вылупления личинки, после чего экспрессия обоих генов носила более диффузный характер.
Рис. 2. Экспрессия гена Aq‑Cry2 на разных стадиях развития личинки A. queenslandica. А, В — стадия ранней гаструлы; C–Е — на поздних стадиях дробления клетки, экспрессирующие Aq‑Cry2, локализованы в области пигментного пятна и раннего кольца; F, G — на стадии образования кольца экспрессия продолжается в области кольца; H–J — ранняя личинка; K–L — плавающая личинка. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology
Похоже, эти эксперименты убедительно доказывают, что один из криптохромов A. queenslandica является хорошим кандидатом на роль фоторецептора. Конечно, странно иметь дело с многоклеточным организмом, способным видеть, но при этом начисто лишенным нейронов. Но путь от клеток пигментированного кольца до длинных ресничек, с помощью которых личинка передвигается, достаточно короток, так что можно представить, что сигналы от клеток, содержащих криптохромы, могут каким-либо образом передаваться к двигательному аппарату личинки. Однако не все поведенческие реакции личинки могут быть объяснены характеристиками Aq‑Cry1 и Aq‑Cry2. Поведенческий ответ личинки, хотя и более слабый, был зафиксирован не только на свет длиной около 400 нм, но и на свет длиной 600 нм, тогда как выделенные криптохромы чувствительны только к коротковолновому свету.
Авторы не исключают и того, что Aq‑Cry2 может быть одним из генов, осуществляющих подстройку биологических часов под внешние ритмы (см., например, Открыт альтернативный принцип работы биологических часов, «Элементы», 01.02.2011). В этом случае достаточно, чтобы Aq‑Cry2 имел чувствительность к свету, вызывающему максимальную поведенческую реакцию, то есть в области 400 нм. Таким образом, криптохром сигнализирует, что свет в принципе есть, и запускает дальнейшую цепь биохимических реакций, приводящих к тому или иному поведению. Если в области пигментированного кольца будут найдены другие молекулы, участвующие в регуляции циркадных ритмов, эта гипотеза будет подтверждена.
Источник: Ajna S. Rivera, Nuri Ozturk, Bryony Fahey, David C. Plachetzki, Bernard M. Degnan, Aziz Sancar, Todd H. Oakley. Blue-light-receptive cryptochrome is expressed in a sponge eye lacking neurons and opsin //Journal of Experimental Biology. 2012. V. 215. P. 1278–1286.