Учёные открыли новый класс вкусовых рецепторов
Эволюция — это мастер починки, а не инженер. "Эволюция не создаёт новое с нуля. Она работает с тем, что уже существует", — писал нобелевский лауреат Франсуа Жакоб в 1977 году, и биологи продолжают находить этому подтверждения.
Наглядный пример: команда учёных под руководством исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружила, что несколько опсиновых белков, десятилетиями известных как необходимые для зрения, также функционируют как вкусовые рецепторы. Это открытие, опубликованное в Current Biology, представляет собой светонезависимую функцию опсинов и ставит вопросы о цели, которую эти белки служили у древних организмов.
"Это первый пример роли опсинов во вкусе или в любой форме химического ощущения", — сказал соавтор Крейг Монтелл, профессор молекулярной, клеточной и биологии развития.
От света к химии
Учёные в конце 1800-х годов открыли светочувствительную роль родопсина — состоящего из опсина, связанного с ретиналем (формой витамина А), — и с тех пор он стал самым изучаемым сенсорным рецептором. До недавнего времени считалось, что семейство родопсиновых белков участвует только в восприятии света. Однако в 2011 году Монтелл и его коллеги обнаружили, что опсин позволяет плодовой мушке Drosophila melanogaster обнаруживать небольшие изменения температуры в комфортном для неё диапазоне.
Родопсины способны реагировать на очень тонкие изменения или очень низкие уровни стимулов (как при очень тусклом свете) и запускать молекулярный каскад, усиливающий сигнал.
Эксперимент с горьким вкусом
Исследователи из лаборатории Монтелла использовали аристолоховую кислоту — токсичное горькое соединение, содержащееся в некоторых растениях, — для изучения вкусовых рецепторов у мух. Высокие концентрации этого вещества напрямую активируют вкусовые нейроны мух, открывая ионный канал TRPA1, что приводит к ощущению горечи. Однако мухи также избегают даже сильно разбавленной кислоты, которая недостаточна для прямого открытия каналов.
Монтелл и ведущий автор Николь Люнг предположили, что опсины могут быть задействованы в обнаружении слабых химических сигналов через процесс усиления сигнала.
Роль опсинов в усилении сигнала
Учёные предложили мухам выбор между чистым сахаром и сахаром с разбавленной аристолоховой кислотой. Обычные мухи отвергали "горький" сахар. Однако мухи с мутациями, нарушающими синтез одного из трёх типов опсинов, не могли обнаружить низкие концентрации кислоты и ели оба варианта почти одинаково. При этом они по-прежнему избегали высоких концентраций, которые напрямую активировали канал TRPA1.
Команда показала, что аристолоховая кислота активирует эти опсины, связываясь с тем же сайтом, что и ретиналь в родопсине. Активированные опсины запускали молекулярный каскад, усиливающий слабый сигнал, что позволяло мухам обнаруживать иначе незаметные концентрации соединения.
"Родопсины были открыты ещё в 1870-х годах, поэтому обнаружить, что опсины играют роль во вкусе спустя 150 лет, довольно увлекательно", — отметил Монтелл.
Эволюционная гипотеза и перспективы
Монтелл предполагает, что хеморецепция могла быть первоначальной ролью белков-опсинов, поскольку восприятие химических веществ — более базовая потребность для жизни, чем восприятие света. Возможно, случайное связывание ретиналя с опсином придало последнему светочувствительность.
После открытия 2011 года о роли опсинов в температурном ощущении другая группа обнаружила их участие в слухе мух. Теперь, с демонстрацией роли опсинов как вкусовых рецепторов, Монтелл подозревает их участие и в других чувствах. "В каждом случае они обеспечивают механизм обнаружения низких уровней стимулов, запуская каскад усиления", — сказал он.
Новое открытие, вероятно, распространяется не только на плодовых мух. "Последствия таковы, что, возможно, опсины представляют собой новый класс вкусовых рецепторов у млекопитающих, включая человека", — заявил Монтелл. Эту гипотезу команда сейчас исследует.