Ученые обнаружили адаптацию зрения животных к экстремальным условиям
Биологи из Университета Торонто (U of T) обнаружили, что животные могут адаптировать свою способность видеть даже при экстремальных изменениях температуры.
Исследователи изучили глаза сомов, обитающих в холодных горных ручьях Анд на высоте до почти трех километров. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Зрение инициируется активацией нескольких химических белков в сетчатке. Изучая влияние низких температур на среду обитания андских сомов, команда под руководством эволюционного биолога U of T Белинды Чанг исследовала роль белка родопсина, который обеспечивает зрение в условиях слабого освещения.
Они обнаружили, что родопсин выполняет еще одну функцию: он ускоряет скорость зрения у рыб, живущих на самых высоких и, следовательно, самых холодных высотах.
"Когда мы думаем об адаптации зрительной системы, первыми переменными, которые приходят на ум, являются свет и цвет. Эти результаты добавляют новое измерение к вопросу о том, как сложные биологические процессы могут адаптироваться к экстремальным условиям", — сказала Чанг.
Для этих ночных животных зрение критически важно для выживания. У высокогорных рыб изменились скорости химических реакций с участием белка. Кинетические скорости ускорились, чтобы компенсировать снижение температуры окружающей среды.
Это открытие подтверждает установленную тенденцию для метаболических ферментов, которые также демонстрируют ускоренные кинетические скорости в ответ на холодные условия.
"Холодные температуры замедляют скорость биохимических реакций. Мы десятилетиями знали, что температура влияет на зрение, но никогда до конца не понимали, могла ли эволюция и как именно скорректировать это на молекулярном уровне", — сказал ведущий автор Джанни Кастильоне.
Гипотеза команды заключалась в том, что, следуя "отпечаткам" эволюции с помощью компьютерных моделей, анализирующих закономерности в ДНК животных, можно понять, как холодовая адаптация может протекать в сложном сенсорном белке, таком как родопсин.
"Мы обнаружили, что естественный отбор нацеливался на два сегмента белка, известных контролем кинетических скоростей. Это предполагает, что эволюция использовала биохимию родопсина как способ изменить его функцию на больших высотах", — сказал Кастильоне.
Чтобы проверить гипотезу, исследователи манипулировали ДНК нескольких ранее собранных образцов рыб. Они создали мутации в белке родопсина, заменяя аминокислоты, присутствующие у особей с низких высот, на редкие варианты, обнаруженные у высокогорных разновидностей. Так они подтвердили, что высокогорные мутации, оказывая лишь ограниченное влияние на световые и цветовые функции родопсина, значительно ускоряют кинетические свойства белка, определяющие зрительную производительность у холоднокровных животных.
"По сути, мы исследовали нетипичные для науки организмы, что может быть полезным подходом к важным вопросам эволюционной биологии. Наши результаты показывают, что при изучении эволюции сложных белков следует учитывать множественные влияния окружающей среды", — говорит соавтор и кандидат наук Фрэнсис Хаузер.
Важность демонстрации этой тенденции для родопсина заключается в том, что сам белок представляет собой огромное семейство других белков со схожей важностью функций во всем теле животного. Эта группа, известная как G-белок-сопряженные рецепторы, также является одной из крупнейших и наиболее важных мишеней для лекарств в современных методах лечения болезней человека. Следовательно, этот подход и выводы могут также способствовать лучшему пониманию того, как генетические мутации могут вызывать болезни человека.
"Особенно интересно то, что естественный отбор изменил функцию белка, косвенно воздействуя на структурные области, мутации в которых обычно вызывают болезни у человека. Поскольку высокогорные мутации находятся на периферии этих областей, они не были сразу очевидными мишенями естественного отбора, и нам нужно было экспериментально подтвердить их влияние на функцию белка", — сказала Чанг.
"Наш междисциплинарный подход к белковой науке опирается на подсказки эволюции, чтобы раскрыть новые аспекты структуры и функции белка, которые трудно обнаружить с помощью традиционных подходов".