Обнаружен ключевой фоторецептор, позволяющий птицам чувствовать весну для размножения

Учёные из Института трансформативных биомолекул (WPI-ITbM) Университета Нагои под руководством профессора Такаши Ёсимуры идентифицировали глубокий мозговой фоторецептор у японских перепелов, который напрямую реагирует на свет и контролирует сезонную репродуктивную активность. Это открытие решает вековую загадку о том, как позвоночные (кроме млекопитающих) воспринимают свет глубоко внутри мозга.

Сезонные часы животных

Многие организмы используют изменение длины светового дня (фотопериод) как календарь для адаптации к сезонным изменениям. Это регулирует физиологию и поведение, включая репродуктивную активность. Мелкие млекопитающие и птицы, такие как перепела, размножаются весной и летом, когда тепло и много пищи для потомства. Репродуктивные органы перепелов остаются маленькими большую часть года, но за две недели весной увеличиваются более чем в 100 раз.

Загадка внеглазного фоторецептора

В отличие от большинства млекопитающих (включая человека), у которых глаза — единственные фоторецепторные органы, другие позвоночные могут воспринимать свет непосредственно мозгом. Птицы чувствуют изменение длины дня даже с завязанными глазами. Хотя этот факт был известен более 100 лет, конкретный фоторецептор оставался неидентифицированным.

Роль нейронов, контактирующих со спинномозговой жидкостью

В более ранних работах (2010, PNAS) группа Ёсимуры обнаружила, что фоторецептивный белок Opsin-5 присутствует в гипоталамусе перепелов, в нейронах, контактирующих со спинномозговой жидкостью (CSF-contacting neurons). Эти нейроны выступают в третий желудочек мозга.

Прямое доказательство

Используя метод patch-clamp на срезах мозга, исследователи зафиксировали, что CSF-contacting нейроны активируются при облучении светом. Даже при подавлении активности нейротрансмиттеров реакция на свет не уменьшалась, что доказывает их прямое фоторецепторное действие.

Когда с помощью РНК-интерференции подавили активность белка Opsin-5 в этих нейронах, секреция тиреотропного гормона из pars tuberalis гипофиза была ингибирована. Этот гормон, так называемый "гормон, зовущий весну", стимулирует выработку другого гормона, запускающего весеннее размножение у птиц.

Эволюционное и практическое значение

Поскольку глаза формируются как выпячивание третьего желудочка, CSF-contacting нейроны, экспрессирующие Opsin-5, можно считать эволюционным предшественником, имеющим общее происхождение со светочувствительными клетками глаз. Белок Opsin-5 есть и у человека.

Исследование, опубликованное 7 июля 2014 года в Current Biology, углубляет понимание эволюции глаз и фоторецепторов и может внести вклад в улучшение контроля сезонного размножения в животноводстве.