Раскрытие эволюционного происхождения предпочтений вкуса умами и сладкого

Восприятие вкуса — один из важнейших органов чувств, помогающий идентифицировать полезную пищу и избегать вредных веществ. Например, наша любовь к сладкому и пикантному (умами) — результат потребности в углеводах и белках. Учитывая важность вкуса как эволюционного признака, исследователи изучают, как вкусовые рецепторы возникали и эволюционировали. Эти данные помогают восстановить картину пищевого поведения организмов и историю жизни на Земле.

Один из ключевых вкусов — умами, связанный с белками, жизненно важными для многих организмов. У млекопитающих вкусовые рецепторы сладкого и умами относятся к типу 1 (T1R) и кодируются семейством генов TAS1R, включающим TAS1R1, TAS1R2 и TAS1R3, происходящих от общего предка костных позвоночных.

Однако у целаканта и хрящевых рыб эта генная картина не наблюдается, там найдены «таксономически неопределенные» гены TAS1R, что указывало на неполное понимание эволюционной истории вкусовых рецепторов.

Теперь исследовательская группа под руководством доцента Хидэнори Нисихары из Университета Киндай и профессора Ёсиро Исимару из Университета Мэйдзи (Япония) выявила пять новых, ранее неизвестных групп в семействе TAS1R. Это открытие стало результатом полногеномного анализа челюстных позвоночных, включая все основные группы рыб.

Исследование, опубликованное в Nature Ecology & Evolution 13 декабря 2023 года, также внесли вклад старший ассистент-профессор Ясука Тода (Университет Мэйдзи), профессор Масатака Окабэ (Медицинский университет Дзикэй), профессор Сигэхиро Кураку (Национальный институт генетики) и ассоциированный профессор Синдзи Окада (Токийский университет).

«Наше исследование показало, что по сравнению с большинством современных позвоночных, предок позвоночных обладал большим числом T1R. Эти данные бросают вызов парадигме, согласно которой в ходе эволюции сохранились только три члена семейства T1R», — говорит профессор Нисихара.

Новые гены вкусовых рецепторов, названные исследователями TAS1R4, TAS1R5, TAS1R6, TAS1R7 и TAS1R8, были классифицированы на основе их распространения среди видов с общим предком:

• TAS1R4 обнаружен у ящериц, аксолотля, двоякодышащих рыб, целаканта, многопёра и хрящевых рыб, но отсутствует у млекопитающих, птиц, крокодилов, черепах и костистых рыб.
• TAS1R5 найден у аксолотля, двоякодышащих рыб и целаканта. Установлено его близкое эволюционное родство с TAS1R1 и TAS1R2.
• TAS1R6 присутствует исключительно у хрящевых рыб и произошел от того же предкового гена, что и TAS1R1, TAS1R2, TAS1R5.
• TAS1R7 есть у аксолотля и ящериц, а TAS1R8 — у многопёра и двоякодышащих рыб. Эти два гена возникли у общего предка челюстных позвоночных.

Исследование также выявило разнообразие среди уже известных генов TAS1R:

• TAS1R3 костных позвоночных разделился на TAS1R3A (у четвероногих и двоякодышащих рыб) и TAS1R3B (у амфибий, двоякодышащих рыб, целакантов и лучепёрых рыб).
• TAS1R2 диверсифицировался на две группы (TAS1R2A и TAS1R2B), что опровергает идею о его единстве.

«Мы обнаружили, что филогенетическое дерево TAS1R состоит из 11 клад, раскрывая неожиданное генное разнообразие», — добавляет профессор Нисихара.

Результаты также предполагают, что первый ген TAS1R появился у челюстных позвоночных примерно 615–473 млн лет назад. Затем ген подвергся нескольким дупликациям, породив девять генов вкусовых рецепторов (TAS1R1, 2A, 2B, 3A, 3B, 4, 5, 7, 8) у общего предка костных позвоночных. Со временем часть генов была утрачена в разных линиях, и у млекопитающих и костистых рыб сохранилось только по три TAS1R (у млекопитающих — TAS1R1, TAS1R2A и TAS1R3A).

Помимо прояснения эволюционной истории, открытия имеют практическое применение. Профессор Нисихара поясняет: «Эти данные облегчают нам задачу по определению вкусовых предпочтений различных позвоночных. Это, в свою очередь, может найти применение, например, в разработке кормов для домашних животных и аттрактантов, адаптированных к предпочтениям рыб, амфибий и рептилий».