Обнаружен новый светочувствительный белок в мозге плодовой мушки
В световосприятии глаза плодовой мушки (Drosophila) хорошо известную роль играют шесть биологических пигментов — родопсинов. Три из них также выполняют светонезависимые функции в ощущении температуры. Новое исследование показывает, что седьмой родопсин, Rh7, экспрессируется в мозге плодовых мушек, где регулирует их суточные (циркадные) ритмы активности. Исследование опубликовано в журнале Nature при поддержке Национального института глаз (NEI), входящего в Национальные институты здравоохранения (NIH) США.
"Rh7 — это первый пример родопсина, который важен для установления циркадных ритмов, будучи экспрессированным в центральном мозге, а не в глазу", — заявил Крейг Монтелл, старший автор исследования.
Ранее известные шесть родопсинов мухи полностью обеспечивают функцию её фоторецепторных клеток. Хотя геном плодовой мушки содержал последовательность седьмого родопсина, роль Rh7 оставалась неясной.
Экспериментальное подтверждение функции Rh7
Светочувствительность. Учёные подтвердили, что Rh7 способен воспринимать свет, с помощью генетического эксперимента: они заменили основной светочувствительный белок Rh1 в фоторецепторах глаза мухи на Rh7. У мух, лишённых Rh1, Rh7 полностью функционально замещал его, что было зафиксировано с помощью электроретинограммы (записи нейронного сигнала глаза в ответ на свет).
Локализация в мозге. С помощью антител к Rh7 исследователи обнаружили, что он экспрессируется в центральных пейсмекерных нейронах мозга, которые регулируют циркадные ритмы.
Роль в циркадных ритмах. Учёные провели эксперименты, изменяя световой цикл для мух:
- При удлинении светового дня с 12 до 20 часов мухи с удалённым геном Rh7 приспосабливались к новому циклу значительно медленнее, чем нормальные (дикого типа).
- Световые импульсы посреди ночи, сбивающие нормальный цикл, также вызывали более долгое восстановление ритма у мух без Rh7.
Rh7 vs. криптохром
Центральным пейсмекерным нейронам уже был известен другой световой сенсор — белок криптохром. Однако у мух, генетически лишённых криптохрома, способность регулировать циклы свет/темнота нарушена лишь частично. Оказалось, что второй молекулой является Rh7, который более светочувствителен, чем криптохром.
"Похоже, Rh7 обеспечивает более чувствительный способ обнаружения света и настройки циркадных ритмов", — пояснил Крейг Монтелл.
Эволюционные параллели и загадки
Светочувствительный белок в мозге имеет смысл для плодовой мушки, так как свет может проникать через кутикулу, покрывающую её голову. Однако функция опсинов в мозге млекопитающих, куда свет через череп практически не проникает, остаётся загадкой.
Монтелл предполагает, что пейсмекерные нейроны мухи, экспрессирующие Rh7, могут быть эквивалентны не обычным клеткам мозга млекопитающих, а особым клеткам глаза — внутренне фотосенситивным ганглионарным клеткам сетчатки (ipRGCs). Эти клетки содержат пигмент меланопсин, не участвуют в формировании изображения, но критически важны для регуляции циркадных ритмов.
Таким образом, открытие новой роли Rh7 не только расширяет понимание светового восприятия у насекомых, но и поднимает новые вопросы о функциях светочувствительных белков у других животных, включая человека.