Исследователи обнаружили «простой и элегантный механизм», регулирующий отношения насекомых и бактерий
Исследователи из Университета Майами (UM) раскрыли, как на клеточном уровне животное и его симбиотические бактерии работают вместе, образуя единую системную организацию. Исследование «Aphid amino acid transporter regulates glutamine supply to intracellular bacterial symbionts» опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).
Результаты показывают, как простой механизм позволяет насекомому — гороховой тле (pea aphid) — регулировать производство необходимых питательных веществ, поставляемых её симбиотическими бактериями Buchnera aphidicola.
Гороховая тля питается растительным соком, в котором недостает незаменимых аминокислот. Часть аминокислот тля производит сама, а остальные получает от полезных бактерий, живущих внутри её клеток. В свою очередь, симбиотические бактерии не могут производить аминокислоты, которые синтезирует тля, поэтому партнеры обмениваются аминокислотами.
Исследователи сосредоточились на двух ключевых аминокислотах:
- Глутамин — производится тлей и является предшественником для всех аминокислот, производимых как тлей, так и симбионтом.
- Аргинин — производится Buchnera и дефицитен в рационе тли.
Роль транспортера ApGLNT1
Глутамин переносится через мембрану клеток, где живут бактерии, с помощью аминокислотного транспортера ApGLNT1. Используя специализированную методику экспрессии белков в яйцах лягушки (oocytes), исследователи изучили его функцию.
Была построена модель, описывающая, как «фабрика» аминокислот реагирует на спрос и предложение:
- Когда в тле накапливается аргинин, он связывается с транспортером ApGLNT1 и ингибирует захват глутамина.
- Поскольку глутамин — предшественник аминокислот, синтез аргинина бактериями снижается.
- Как только аргинин усваивается тлей, транспорт глутамина возобновляется, и синтез аргинина восстанавливается.
«К нашему удивлению, транспортер является ключевым регулятором производственной линии фабрики», — говорит первый автор исследования Дэниел Р. Г. Прайс.
Простой и элегантный механизм
Поскольку ApGLNT1 локализуется на мембране клеток тли, где находятся бактерии, и из-за других особенностей метаболизма тли, этот транспортер регулирует не только биосинтез аргинина, но и биосинтез всех аминокислот. «Система проста и элегантна», — отмечает Алекс К. С. Уилсон, автор-корреспондент исследования.
Эволюционный контекст и обобщаемость
В другом исследовании лаборатории Уилсон, опубликованном в Molecular Ecology, было обнаружено, что у некоторых сосущих сок насекомых количество генов аминокислотных транспортеров значительно расширено по сравнению с несосущими насекомыми. Эти расширения являются результатом крупномасштабных дупликаций генов, произошедших независимо у разных насекомых-фитофагов.
«Учитывая обширную дупликацию семейств генов аминокислотных транспортеров, произошедшую независимо и многократно у сосущих насекомых, логично предположить, что дупликация генов могла быть важна для рекрутирования транспортеров для обмена аминокислотами», — говорит Ребекка П. Дункан, первый автор этого исследования.
Лаборатория Уилсон может проверить, применима ли их модель регуляции симбиоза более широко, изучив механизмы у других сосущих насекомых. Эти исследования показывают, что симбиотические отношения способны формировать эволюцию животных на генетическом уровне.