Эволюция красного цветового зрения у голубянок связана с согласованной настройкой родопсинов
Цвета в цветочной поляне выглядят совершенно по-разному для медведя, медоносной пчелы, бабочки и человека. Способность видеть эти цвета определяется специфическими свойствами опсинов — светочувствительных белков в сетчатке наших глаз. Количество экспрессируемых опсинов и молекулярная структура рецепторных белков определяют цвета, которые мы видим.
В статье, опубликованной 9 февраля в Proceedings of the National Academy of Sciences, группа исследователей под руководством Гарвардского университета разработала новый метод экспрессии длинноволновых опсинов беспозвоночных in vitro и детально описала молекулярную структуру красного (длинноволнового) и синего (коротковолнового) сдвига в опсинах тропической бабочки-голубянки Eumaeus atala.
Исследование, проведённое постдоком Марджори Льенар и профессором Наоми Пирс из Гарварда, а также их коллегами, обнаружило ранее неизвестные опсины, которые приводят к красному сдвигу и чувствительности к длинным волнам в зрительной системе Eumaeus atala. С помощью нового метода исследователи смогли точно определить конкретные изменения пар оснований, ответственные за спектральную настройку этих зрительных белков, и раскрыть, как эволюционировали гены зрения.
Помимо приматов, относительно немногие наземные животные могут воспринимать длинноволновый оранжевый и красный свет. Однако давно известно, что некоторые бабочки имеют фоторецепторы красного света и предпочитают собирать нектар на красных цветах. Типичный визуальный диапазон для человеческого глаза — от 380 нм до 700 нм, но многие насекомые могут воспринимать более короткие волны ультрафиолетового света ниже 400 нм и иногда используют их как «приватный канал» для коммуникации. Многие цветы также используют ультрафиолетовое отражение, чтобы привлекать насекомых-опылителей.
Из-за сложности экспрессии длинноволновых опсинов беспозвоночных in vitro понимание молекулярной основы функциональных сдвигов в их спектральной чувствительности было смещено в сторону исследований позвоночных. Исследование Льенар и коллег предоставляет инструменты, необходимые для точного понимания того, как изменение одной аминокислоты в белке опсина может изменить то, что видит насекомое.
Льенар совершила критический прорыв, оптимизировав каждый шаг для экспрессии белков опсина беспозвоночных in vitro. Новая система может исследовать опсины с чувствительностью от ультрафиолета до длинных волн в красной области, граничащей с ближним инфракрасным излучением.
Исследователи охарактеризовали и очистили in vitro все гены зрительных опсинов для нескольких видов бабочек. Затем они проанализировали фоторецепторы, где экспрессируются молекулы опсина, в глазах бабочки Eumaeus atala. Они искали закономерности изменений пар оснований в разных опсинах и экспериментально мутировали последовательности этих опсинов, чтобы проверить их эволюционные траектории спектральной настройки.
Они обнаружили новый тип опсина, поглощающего красный свет, и идентифицировали аминокислоты, ключевые для эволюции функций синего опсина, сдвинутого в зелёную область. По сравнению с предполагаемым предковым глазом насекомого, имевшим только один синий и один зелёный рецептор, эти бабочки способны сохранять надёжное цветовое зрение как в сине-зелёном, так и в зелёно-красном диапазонах спектра благодаря адаптивной эволюции новых функций опсинов. Согласованные спектральные сдвиги в зелёных и красных опсинах лежат в генетической основе красного цветового зрения у этих бабочек.
Исследование также неожиданно показало, что насекомые, которые полагаются на другой подкласс опсиновых GPCR-рецепторов по сравнению с позвоночными, тем не менее изменяют поглощение синего опсина, конвергентно сдвигая некоторые из тех же ключевых аминокислотных остатков в связывающем кармане белка, что и коротковолновые опсины позвоночных. «Но мы также идентифицировали новые сайты настройки», — сказала Льенар.
«Цветовое зрение определяется нейронным сравнением между фоторецепторами, имеющими разную спектральную чувствительность», — сказал Бернард. — «Но изучение живых глаз — утомительная задача».
«В конечном итоге это открывает возможность лучше понять взаимосвязь структуры и функции светочувствительных рецепторов», — сказала Пирс, — «и, что наиболее важно, как генотипическая вариация может преобразовываться в функциональные фенотипы, что является краеугольным камнем эволюционной биологии».