Функциональный биологический компас связан с белком-фоторецептором

Многие животные, включая птиц и насекомых, способны воспринимать геомагнитные поля. Предыдущие исследования показали, что светочувствительные белки семейства криптохромов/фотолиаз (CPF) участвуют в поведенческих реакциях животных на наличие геомагнитных полей, но до сих пор не было установлено, связаны ли эти белки с направлением вектора магнитного поля.

Международная группа исследователей изучила возможность того, что белки CPF обеспечивают направленную магниточувствительность у тараканов. Комбинируя поведенческие и генетические подходы, они впервые получили доказательства, что криптохромы животного типа (Cry2) чувствительны к направлению геомагнитных полей у двух видов тараканов. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Криптохромы важны не только для обнаружения магнитных полей, но и для регуляции циркадных ритмов у многих видов, хотя, вероятно, не участвуют в восприятии света у млекопитающих. Изначально учёные разработали эксперимент с американским тараканом (Periplaneta americana), но, обнаружив, что у этого вида экспрессируется только Cry2, добавили в исследование таракана Blatella germanica, у которого экспрессируются и Cry1, и Cry2.

Во время периодов покоя, около полудня, тараканы обычно проявляют минимальную активность. Однако при периодическом вращении горизонтального вектора геомагнитного поля животные становятся более активными и чаще меняют положение покоя. Это магнитно-индуцированное беспокойство (MIR) стало одной из наблюдаемых основ эксперимента.

Не обнаружив MIR в полной темноте, исследователи установили, что у P. americana в магниточувствительности задействованы фотохимические процессы. Для проверки гипотезы тараканам вводили двуцепочечную РНК Cry2, что значительно снижало экспрессию белка и полностью подавляло поведение MIR. Это не только доказало, что MIR не является эндогенной активностью, но и нарушило циркадные ритмы. Другие тараканы, находившиеся в условиях постоянного света, развили аритмичные циркадные циклы, но не утратили магниточувствительность, что доказывает разделение восприятия геомагнитного поля и циркадного цикла. Таким образом, учёные смогли связать восприятие геомагнитных полей с фоторецепцией, отдельно от циркадной регуляции.

Было протестировано семь длин волн света разной интенсивности, чтобы определить условия для обнаружения магнитных полей. Выяснилось, что магниторецепция зависит от света в диапазоне от ультрафиолетовых длин волн до голубого/зелёного (505 нм). Затем учёные попытались локализовать место магниторецепции, покрасив фасеточные глаза животных чёрной эмалью. У этих тараканов поведение MIR полностью исчезло, что убедительно свидетельствует: за магниторецепцию отвечает Cry2 в фасеточных глазах.

Авторы пишут: «В совокупности результаты нашего исследования устанавливают роль криптохрома млекопитающего типа (Cry) в светозависимой магниторецепции у двух видов насекомых, филогенетически далёких от дрозофилы. Что более важно, наше исследование предоставляет оригинальные доказательства того, что белок Cry2 участвует в обнаружении направления вектора геомагнитного поля при естественной интенсивности, что является ключевой характеристикой биологического рецептора, обеспечивающего истинные компасные показания».