konvergens

Konvergens

Natalia Reznik,
Kandidat i Biologiske Videnskab
"Kemi og liv", nr. 6, 2017

Når dyr i meget fjerntliggende slægtskab er tvunget til at tilpasse sig de samme forhold, bliver de ens. En sådan uafhængig konvergens af funktioner kaldes konvergens, Charles Darwin beskrev det, og lærebøgerne er fyldt med eksempler. Fugle og flagermus vokse vinger, flagermus og delfiner udvikle ekkolokation, delfiner ligner store fisk. Men hvis resultaterne af konvergens er synlige for alle, så forbliver dens molekylære mekanismer i skyggerne. Muligheden for at udforske dem viste sig for nylig for nylig.

Komfort i den varme ørken

Wild Bite Camel

Hvad er fælles mellem en kamel og en jordekorn? Ved første øjekast ligner dette spørgsmål Carroll Hatters berømte gåde: "Hvordan ser en ravn ud som et skrivebord?" Ground egern eller tretten band gopher Ictidomys tridecemlineatus, er en indbygger af prærien i Nordamerika. Wild Bite Camel Camelus ferus Det findes i ørkenerne i Gobi og Taklamakan i Mongoliet og i den kinesiske provins Xinjiang, hvor der er meget lidt vand og vegetation. Disse meget forskellige dyr deler evnen til at tolerere temperaturer godt over 45 ° C, hvilket er ubehageligt for de fleste pattedyr.Smerten fra høj temperatur opfattes af TRPV1-receptorer placeret på membranerne af somatosensoriske neuroner. TRPV1-protein er et langt, komplekslagt molekyle (figur 1). Dens to ender er inde i cellen, og den centrale del, der består af seks domæner, danner en ionkanal. N-end, nedsænket i cytoplasma, består af de såkaldte ankyrin gentagelser, der er forbundet med alfa-spiraler, i den figur de er nummereret. Den høje temperatur ændrer molekylets konformation (det termisk følsomme modul er endnu ikke fundet), kanalen åbner, strømmen af ​​ioner kommer ind i cellen, og smertesignalet sendes til hjernen.

Fig. 1. TRPV1-receptorskema. Stjernerne viser positionerne for aminosyresubstitutioner, som reducerer dyrenes følsomhed til høj temperatur

Tolerance over for høj temperatur kan associeres med egenskaberne af receptoren selv, egenskaberne ved signaloverførsel eller deres opfattelse i centralnervesystemet. For at afklare dette problem er specialister fra flere laboratorier på Yale University Medical School under ledelse af Svyatoslav Bagryantsev og Elena Gracheva blevet sammenføjet (Willem J. Laursen et al. Forsøg af National Academy of Sciences, 2016, 113, 11342-11347, doi: 10.1073 / pnas.1604269113). Først og fremmest sammenlignede de temperaturfølsomheden af ​​laboratoriemus og jordekorn og fandt ud af, at mus føler sig oplagt ubehag ved en temperatur på 43-45 ° C og jordede egern – ved 55 ° C. Det viste sig, at TRPV1-proteinet bestemmer forskellen i termisk følsomhed: selvom gopher's neuroner syntetiserer det i tilstrækkelig mængde, svarer deres receptor ikke til temperaturer under 45 °.

For at bestemme responsen fra TRPV1 til stimuli blev dets gener klonet og injiceret i oocytter af sporfodede frøer. Receptorer optrådte på oocytmembranen, og forskerne målte, hvordan koncentrationen af ​​ioner i en celle ændres ved forskellige temperaturer. Hvis koncentrationen af ​​protoner er steget, aktiveres receptoren og åbner ionkanalen. TRPV1 reagerer ikke kun på temperaturen, men også til det brændende alkaloid capsaicin og sure miljø, og for disse faktorer har gopherreceptoren bibeholdt sin følsomhed til fulde.

Tretten Gopher

Forskere testede på samme måde som TRPV1 en anden termofil, en vild dobbeltkrummet kamel. Dens receptor reagerer heller ikke på en stigning i temperaturen fra 22 til 46 ° C, samtidig med at den normale følsomhed over for capsaicin opretholdes.

Sekvensen af ​​mus TRPV1-proteinet, gopher og kamel er meget tæt, og to aminosyrer bestemmer resistens over for høje temperaturer: asparagin og glutaminsyre. En skæbnesvangende aminosyre er i den første ankyrin-gentagelse, den anden er i alfa-helixforbindelsesrecept 2 og 3 (figur 1). I laboratorie gnavere svarer disse aminosyrer til serin og glutamin. Udskiftning af mindst en af ​​to aminosyrer, asparagin til serin eller glutaminsyre for glutamin, reducerer kamelreceptorens følsomhed til rotteniveauet. En mutation, og han er allerede syg i Gobi-ørkenen, det er faktisk, han er ikke en kamel, og du kan ikke bevise noget for nogen!

Både tretten gopher gopher og kamel brugte samme molekylære mekanisme til at tilpasse sig til høje temperaturer, og det var meget enkelt og billigt. Mutationer påvirker receptorens struktur, forstyrrer forbindelsen mellem dens temperaturfølsomme del, hvilket ikke er kendt hvor og ionkanalen, og ændrer betingelserne for dens åbning. Denne mekanisme er imidlertid ikke helt klart. Koen, vampyrbaden, kyllingen, zebrafisken, Stillehavsmolen, TRPV1-receptoren indeholder også et par asparagin / glutaminsyre, samtidig med at den sædvanlige højtemperaturfølsomhed opretholdes.

Generelt er TRPV1-receptoren kendt for sin plasticitet og er let genopbygget afhængigt af organismens behov. Hos kyllinger reagerer den på en temperatur på mindst 46 ° C, da fuglens kropstemperatur er højere end hos pattedyr. I vampyrfladder aktiveres TRPV1 allerede ved 30 ° C, der fungerer som temperatursensor, der hjælper vampyren med at opdage subkutane blodkar på offerets krop. Nu ved vi, hvordan denne plasticitet er opnået.

Yale-forskere var kun interesserede i termosensitivitet og fundet konvergens i strukturen af ​​kamel- og gopherreceptorerne. Imidlertid er receptoren kun en sensor, som letter opvarmning. For at tilpasse sig til høje temperaturer er dens reducerede følsomhed nødvendig, men ikke tilstrækkelig. Den faktiske varmebestandighed kræver dybere forandringer i arbejdet i forskellige kropssystemer, og vi ved ikke, hvad gopher og kamel har. For at finde ud af, er der brug for komplekse studier. Et eksempel på sådan forskning er arbejdet hos kinesiske forskere dedikeret til pandaer.

Sti til bambus

Stor panda

Kina er kendt for pandas. Der er to af dem. Hvid og sort stor panda Ailuropoda melanoleuca tilhører bjørnfamilien (Ursidae) og den røde panda Ailurus fulgens, dyret er lidt større end katten, – til familien af ​​pandaer Ailuridae, til underfamilien af ​​marten-lignende Musteloidea. De evolutionære stier af disse arter divergerede mere end 43 millioner år siden, og kun én omstændighed forene dem. At være i deres systematiske position og fysiologiske træk ved rovdyr, fodrer de hovedsagelig på bambus. Foderobjektet de valgte var mislykket – det er en ekstremt ikke-næringsrig plante. Den indeholder kun 13,2% af proteinerne, 3,2% fedtstoffer og 3,3% opløselige kulhydrater. Resten er kostfiber og vand. For at overleve på en sådan kost har du brug for specielle værktøjer til effektiv udnyttelse af foder.

Rød (lille) panda

Den kendsgerning, at fjernt beslægtede pandas har taget en bambus diæt, gør dem uafhængige til en ideel model til at studere konvergens. Kinesiske forskere ledet af Fu-Wen Wei, professor i det zoologiske institut for det kinesiske videnskabsakademi, re-sequenced den røde pandas genom og raffinerede sekvensen af ​​den store pandas genom. Sammenligner de to sekvenser, fandt de 70 gener med konvergerende ændringer, der tillod rovdyr at tilpasse sig en vegetarisk kost (Yibo Hu et al.Sammenligningsgenomik afslører Forsøg af National Academy of Sciences, 2017, 114, 1081-1086, doi: 10.1073 / pnas.1613870114). I deres artikel beskrev de kun få.

Så for at spise bambus skal du først og fremmest tage fat i det. Mennesker med en modstående tommel er lette. Rovdyr har en pote, der er anderledes. For at løse problemet har begge pandaer vokset deres sjette "pseudotæer", hvilket letter opfangelsen (fig. 2).

Fig. 2. Skeletter børste rødt (på toppen) og store pandaer. Pseudo-finger er fremhævet grå

Udviklingen af ​​lemmer er reguleret af to gener, DYNC2H1 og PCNT, overtrædelsen af ​​deres funktioner fører til polydactyly. I disse gener har begge pandas mutationer, som førte til en konvergerende udskiftning af aminosyrer. Deres fælles handling, ifølge forskerne, kan føre til dannelsen af ​​en yderligere pseudofinger. En af disse substitutioner i DYNC2H1 genet blev kun fundet af forskere i generne af de store og røde pandaer, selv om de analyserede sekvenserne af 62 arter af placentale pattedyr.

Næsten alle essentielle aminosyrer, fedtsyrer og panda vitaminer fås fra bambus. Da denne plante er ekstremt dårlig i næringsstoffer, bør de ekstraheres med særlig effektivitet. Tre gener, PRSS1, PRSS36 og CPB1 er involveret i proteinspaltningsprocessen – de koder for enzymer, der tilhører klassen af ​​serinproteaser. Bukspyttkjertlen udskiller dem i tyndtarmen.Som et resultat af konvergerende ændringer frigør disse enzymer især de essentielle aminosyrer lysin og arginin fra fødevareproteiner, hvorved bambus ernæringsværdi øges.

Nu er vitaminerne. Begge pandaer om natten er næsten lige så aktive som dagtimerne. For at se i mørket har du brug for A-vitamin uden at være med til at deltage, natvisionsproteinet rhodopsin er ikke dannet. Men A-vitamin findes kun i kød, og dyr skal være tilfredse med sin forgænger, beta-caroten, hvilken bambus er særlig dårlig. Konvergente mutationer i ADH1C- og CYP3A5-generne, der er involveret i metabolisme af A-vitamin, kan forbedre dets udnyttelse.

En langsigtet vegetarisk kost fører til mangel på vitamin B.12, som udelukkende syntetiseres af intestinal mikroflora. Mangel på12 øger risikoen for kardiovaskulær sygdom. Pandam kommer til hjælp af glycoprotein GIF, udskilles af cellerne i maveslimhinden. Dette protein øger effektiviteten af ​​absorptionen af ​​vitamin B12. Et modificeret CYP4F2 enzym katalyserer aktivt omdannelsen af ​​arachidonsyre til 20-hydroxyeicosatetraensyre – et vigtigt substrat til forbedring af den anti-sclerotiske aktivitet af vaskulære endotelceller.Måske er det en anden måde at kompensere for manglen på vitamin B12.

Alle de pågældende gener har undergået ikke-tilfældige konvergente mutationer, der påvirker aktiviteten af ​​de tilsvarende proteiner. Men det var ikke slutningen. Begge pandas er ophørt med at fungere samme TAS1R1 gen, som koder for et smagsreceptorprotein i sindets sind. Denne smag mærkes af dem, der spiser kød og andre fødevarer, der er rige på protein. Der er forskellige mutationer i de røde og store pandas TAS1R1 gener, men resultatet er det samme – de kan ikke smage kødet. Her er konvergens så konvergens!

Forskerne fastslog, at den røde panda TAS1R1 mistede sin funktionalitet omkring 1,58 millioner år siden. Forstenede rester af Bristol pandaen Pristinailurus bristoli og andre fossile arter Parailurus, relateret til den røde panda, viser at disse dyr omfattede vegetation i deres kost allerede for 7-4,5 millioner år siden. Tabet af funktionen af ​​det samme gen og tabet af receptoren forekom i de røde og store pandas, efter at deres kost blev delvist plantebaseret, hvilket kunne være et evolutionært svar på omskifteren til plantelevende dyr. At vide, hvad der blev bedt om dem til dette.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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