Konvergencija

Konvergencija

Natalija Резник,
Kandidatas biologijos mokslų
"Chemija ir gyvybė" № 6, 2017

Kai labai nutolusių giminaičių gyvūnai priversti prisitaikyti prie tų pačių sąlygų, jie tampa panašūs. Toks nepriklausomas funkcijų suartėjimas vadinamas konvergencija, Charlesas Darwinas jį apibūdino, o vadovėliai buvo daug pavyzdžių. Paukščiai ir šikšnosparniai augina sparnus, šikšnosparniai ir delfinai plėtoja echolokaciją, delfinai panašūs į didelę žuvį. Bet jei konvergencijos rezultatai yra pastebimi visiems, tada jo molekuliniai mechanizmai lieka šešėliuose. Galimybė jas ištirti buvo palyginti neseniai.

Komfortas karštoje dykumoje

Wild Bite Camel

Kas yra bendras tarp kupranugario ir žemės voverės? Iš pirmo žvilgsnio šis klausimas panašu į garsų Carolio šeivos miną: "Kaip varnas atrodys kaip stalas?" Žemės voverė arba trylika juostų gopheris "Ictidomys tridecemlineatus", yra Šiaurės Amerikos prerijų gyventojas. Wild Bite Camel Camelus ferus ji randama Gobės ir Taklamakano dykumose Mongolijoje ir Kinijos provincijoje Sinjiange, kurioje yra labai mažai vandens ir augmenijos. Šie labai skirtingi gyvūnai turi galimybę toleruoti temperatūras, gerokai viršijančius 45 ° C, o tai yra nepatogu daugumai žinduolių.Aukšta temperatūra skausmą suvokia TRPV1 receptorių, esančių somatosensorinių neuronų membranose. TRPV1 baltymas yra ilga, sudėtingai išdėstyta molekulė (1 pav.). Jo du galai yra ląstelių viduje, o centrinė dalis, susidedanti iš šešių sričių, sudaro jonų kanalą. N-endas, panardintas į citoplazmą, susideda iš vadinamųjų ankyrino pakartojimų, sujungtų alfa spiralėmis, figūroje, kurios yra sunumeruojamos. Aukštos temperatūros keičia molekulėje konformaciją (temperatūros daviklio modulio dar nėra nustatyta), kanalas yra atidarytas, jonai srautas patenka į ląstelių ir skausmo signalus siunčiami į smegenis.

Pav. 1. TRPV1 receptoriaus schema. Žvaigždutėmis parodo aminorūgščių pakeitimo vietas, kurios sumažina gyvūnų jautrumą aukštai temperatūrai

Tolerancija iki aukšto temperatūros gali būti susijusi su pačių receptorių savybėmis, signalo perdavimo savybėmis ar jų suvokimu centrinėje nervų sistemoje. Siekiant išsiaiškinti šį klausimą, Jale universiteto medicinos mokyklos specialistai iš kelių laboratorijų, vadovaujamų Svjatolos Bagryantsevo ir Elenos Gračevos, suvienijo jėgas (Willem J. Laursen ir kt. Nacionalinės mokslų akademijos darbai, 2016, 113, 11342-11347, doi: 10.1073 / pnas.1604269113). Visų pirma, jie palygino laboratorinių pelių ir žemės voverių temperatūros jautrumą ir nustatė, kad pelėms jaučiamas akivaizdus diskomfortas 43-45 ° C temperatūroje, o žemės voverės – 55 ° C temperatūroje. Paaiškėjo, kad TRPV1 baltymas nustato temperatūrinio jautrumo skirtumą: nors gopherio neuronai jį sintezuoja pakankamu kiekiu, jų receptorius neatsako į temperatūras, žemesnes nei 45 °.

Siekiant nustatyti TRPV1 atsaką į stimulus, jo genai buvo klonuoti ir švirkščiami į nugarinių varlių oocitus. Mokslininkai išmatuodavo, kaip jonų koncentracija ląsteliuose keičiasi esant skirtingoms temperatūroms. Jei padidėja protonų koncentracija, aktyvuojamas receptorius ir atidaromas jonų kanalas. TRPV1 reaguoja ne tik į temperatūrą, bet ir į deginantį alkaloido kapsaiciną ir rūgštinę aplinką, o į šiuos veiksnius gopherio receptoriai išlaiko savo jautrumą.

Trylika gopheris

Tyrėjai vienodai tikrino kito termofilio TRPV1 – laukinį dvigubą kupranugarį. Jo receptorius taip pat nereaguoja į temperatūros padidėjimą nuo 22 iki 46 ° C, išlaikant normalią jautrumą kapsaicinui.

Pelės TRPV1 baltymo, gopherio ir kupranugario seka yra labai arti, o dvi amino rūgštys nustato atsparumą aukštai temperatūrai: asparaginą ir glutamo rūgštį. Pirma ankyrino pakartojime randama viena lemtinga aminorūgštis, kita – alfa spirale, jungiančia 2 ir 3 pakartojimus (1 pav.). Laboratorinių graužikų aminorūgštys atitinka serino ir glutamino. Pakeičiant bent vieną iš dviejų aminorūgščių, asparaginą glutamino serumui ar glutamino rūgščiai, sumažėja kupranugario receptoriaus jautrumas žiurkių lygiui. Viena mutacija, ir jis jau serga Gobi dykumoje, tai iš tikrųjų jis nėra kupranugaris ir niekam nieko neįrodo!

Tiek trylika-gopheris, tiek kupranugaris naudojo tą patį molekulinį mechanizmą, kad prisitaikytų prie aukštų temperatūrų, ir jis buvo labai paprastas ir pigus. Mutacijos daro įtaką receptoriaus struktūrai, sutrikdamos ryšį tarp jo temperatūros jautrios dalies, kurioje nėra žinoma, ir jonų kanalo, ir keičia jo atidarymo sąlygas. Tačiau šis mechanizmas nėra aiškus. Karvė, vampyro šikšnosparnis, vištiena, zebrafishas, ​​Ramiojo vandenyno moliuskas, TRPV1 receptoriai taip pat turi porą asparagino ir glutamo rūgšties, išlaikant įprastą aukšto temperatūros jautrumą.

Apskritai, TRPV1 receptorius yra žinomas dėl savo plastiškumo ir lengvai rekonstruojamas priklausomai nuo organizmo poreikių. Viščiukai reaguoja į ne mažesnę kaip 46 ° C temperatūrą, nes paukščių kūno temperatūra yra didesnė nei žinduolių kūno temperatūra. Be vampyrų šikšnosparnių, TRPV1 aktyvuojamas jau esant 30 ° C temperatūrai, veikdamas kaip temperatūros jutiklis, kuris padeda vampyrui aptikti poodinius kraujagyslės aukos kūną. Dabar mes žinome, kaip šis plastiškumas pasiekiamas.

Yale mokslininkai domino tik termosensyvumu ir nustatė, kad kupranugarių ir gopherių receptorių struktūra yra konverguojama. Tačiau receptorius yra tik jutiklis, kuris padeda palaikyti šilumą. Kad prisitaikytų prie aukštų temperatūrų, jo sumažintas jautrumas yra būtinas, tačiau jo nepakanka. Faktinis šiluminis atsparumas reikalauja gilesnių skirtingų kūno sistemų darbo pokyčių, o mes nežinome, ką turi gopheris ir kupranugaris. Norint sužinoti, reikalingi kompleksiniai tyrimai. Tokio tyrimo pavyzdys yra Kinijos mokslininkų darbas, skirtas pandams.

Kelias į bambuką

Didelis pandas

Kinija garsi panda. Yra du iš jų. Baltas ir juodas didelis pandas Ailuropoda melanoleuca priklauso lokio šeimai (Ursidae) ir raudonai pandai Ailurus fulgens, gyvūnas yra šiek tiek didesnis už katę, – Pandas Ailuridae šeimai, kiaulių tipo Musteloidea pogumbrei. Šių rūšių evoliuciniai keliai skyrėsi daugiau nei prieš 43 milijonus metų ir vienija jas vienija. Jie yra sisteminga padėtis ir plėšrūnų fiziologiniai bruožai, jie daugiausia maitina bambuką. Pašarų objektas, kurį pasirinko, buvo nesėkmingas – tai labai nepatvirtintas augalas. Jame yra tik 13,2% baltymų, 3,2% riebalų ir 3,3% tirpių angliavandenių. Likusi dalis yra maistinės skaidulos ir vanduo. Norėdami išgyventi tokia mityba, jums reikia specialių įrankių veiksmingam pašarų panaudojimui.

Raudona (maža) panda

Tas faktas, kad toli nuo gimimo susiję pandos pačios imasi bambuko mitybos, yra idealus tyrimo konvergencijos modelis. Kinijos mokslininkai, vadovaujami Kinijos mokslų akademijos Zoologijos instituto profesoriaus Fu-Wen Wei, pertvarkė raudonojo pando genomą ir ištobulino didžiojo pando genomo seka. Lygindami tuos dviejų sekas, jie rastų 70 genų su konvergentais pokyčiais, kurie leistų plėšrūnams prisitaikyti prie vegetariškos dietos (Yibo Hu ir kt.Palyginamoji genomika atskleidžia Nacionalinės mokslų akademijos darbai, 2017, 114, 1081-1086, doi: 10.1073 / pnas.1613870114). Savo straipsnyje jie apibūdino tik keletą.

Taigi, valgyti bambuką pirmiausia reikia patraukti. Žmonės, kurių priešingas nykštis yra lengva. Predatoriai turi kitokią koją. Kad išspręstų problemą, abu "pandai" išaugo šeštąja "pseudo pirštais", palengvinančia fiksavimą (2 pav.).

Pav. 2 Skeletai šepetėlis raudonas (viršuje) ir didieji pandai. Pseudo-Finger yra paryškintas pilka

Galūnių vystymą reguliuoja du genai, DYNC2H1 ir PCNT, jų funkcijų pažeidimas veda į polidaktylius. Šiuose genuose abiejuose panduose yra mutacijų, dėl kurių susidarė aminorūgščių konvergencija. Jų bendrieji veiksmai, pasak tyrėjų, gali sąlygoti papildomą pseudopareną. Vieną iš šių DYNC2H1 geno pakitimų mokslininkai rasta tik didelių ir raudonųjų pandų genuose, nors jie analizavo 62 rūšių placentų žinduolių sekas.

Beveik visos svarbios amino rūgštys, riebalų rūgštys ir pandos vitaminai yra gaunami iš bambuko. Kadangi šis augalas yra labai prasta maistinių medžiagų, jie turėtų būti ekstrahuojami ypač efektyviai. Trys genai, PRSS1, PRSS36 ir CPB1 dalyvauja baltymų skilimo procese – jie koduoja enzimus, priklausančius serijos proteazių klasei. Kasa išskiria juos į plonąją žarną.Dėl konvergencinių pokyčių šie fermentai ypač sėkmingai išlaisvina esmines amino rūgštis lizinas ir argininas iš maisto baltymų, taip padidindami bambuko maistinę vertę.

Dabar vitaminai. Abi pandos naktį yra beveik tokios pat aktyvios kaip ir dieną. Norėdami pamatyti tamsoje, jums reikia vitamino A, be jo dalyvavimo, nakties regėjimo baltymų rodopsinas nesudaro. Bet vitaminas A randamas tik mėsoje, o gyvūnai turi būti su savo pirmtaku, beta karotinu, kurio bambukas yra ypač prasta. Koncentruotos antigeno metabolizmo ADH1C ir CYP3A5 geno mutacijos gali pagerinti jo naudojimą.

Ilgalaikė vegetariška dieta sukelia vitamino B trūkumą.12, kurią sintezuoja išskirtinai žarnyno mikroflora. Trūksta12 padidina širdies ir kraujagyslių ligų riziką. Pandam ateina į glikoproteino GIF pagalbą, išskiriama iš skrandžio gleivinės ląstelių. Šis baltymas padidina vitamino B absorbcijos efektyvumą12. Modifikuotas CYP4F2 fermentas aktyviai katalizuoja arachidono rūgšties pavertimą 20-hydroxyeicosatetraeno rūgštimi – svarbiu substratu, stiprinančiu kraujagyslių endotelio ląstelių antisklerozinį aktyvumą.Galbūt tai yra dar vienas būdas kompensuoti vitamino B trūkumą12.

Visi nagrinėjami genai turi neatsitiktines konvertuojamas mutacijas, kurios veikia atitinkamų baltymų aktyvumą. Bet tai nebuvo pabaiga. Abi pandos nustojo veikti tą patį TAS1R1 genu, kuris proto protuose koduoja skonio receptorių baltymą. Šį skonį jaučia tie, kurie valgo mėsą ir kitus maisto produktus, kuriuose yra daug baltymų. Yra raudonos ir didelės pandos TAS1R1 genų skirtingos mutacijos, tačiau rezultatas yra tas pats – jie negali skonio mėsos. Čia konvergencija yra tokia konvergencija!

Tyrėjai nusprendė, kad raudona panda TAS1R1 prarado funkciją prieš 1,58 mln. Metų. Petrifikuotos Bristolio pandos liekanos Pristinailurus bristoli ir kitos iškastinės rūšys Parailurus, susijusi su raudonuoju pandu, rodo, kad šie gyvūnai augaliją savo maiste jau 7-4,5 milijonų metų. To paties geno funkcijos praradimas ir receptoriaus praradimas atsirado raudonose ir didelėse pandose po to, kai jų mityba tapo iš dalies susijusi su augalais, o tai galėtų būti evoliucinis atsakas į perėjimą prie žolėdžių. Žinoti, kas paskatino juos tai padaryti.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: