Биологи сообщили о находке «стрелки» биологического компаса

Китайские биологи обнаружили магниточувствительный белок, который может оказаться той самой «стрелкой компаса», благодаря которой многие животные способны чувствовать магнитное поле Земли. Белок, найденный в экспериментах на дрозофиле, получил наименование MagR. Его описание опубликовано в журнале Nature Materials.

Способность ощущать направления силовых линий глобального магнитного поля планеты демонстрируют многие растения и животные. Главное внимание привлекает, конечно, «внутренний компас» насекомых и перелетных птиц, которые даже в клетках, в лабораторных условиях в период миграции проявляют сильное беспокойство и стремятся двигаться в строго определенном направлении. Возможно, что к магниторецепции способны даже некоторые млекопитающие — отмеченное шутливой Игнобелевской премией исследование чешских биологов показало, что во время дефекации собаки пытаются расположиться в соответствии с линиями магнитного поля Земли. Однако механизм магниторецепции остается нерасшифрованным.

Первые указания на его устройство появились после того, как было обнаружено, что фототропизм растений — их способность ориентироваться по свету — можно легко блокировать, экранировав свет синей (400-500 нм) части спектра. Но белок-рецептор, воспринимающий это излучение, выделить не удавалось, отчего он и получил имя «скрытного» — криптохром. Соответствующий ген был обнаружен только в 1993 г. в ДНК небольшого капустного растения, резуховидки Таля, а вскоре криптохромы стали находить у самых разных организмов, включая человека.

Судя по всему, они играют большую роль в регуляции циркадных ритмов и появились исключительно давно, еще до разделения эукариот и прокариот. Но принцип работы у них сохранился общим: под действием синего излучения в активном сайте белка происходит перераспределение зарядов и образуется устойчивая, чувствительная к магнитному полю структура из трех аминокислотных остатков триптофана. Белок меняет пространственную конформацию и связывается с ДНК, регулируя экспрессию определенных генов.

На роль криптохрома в магниторецепции указывает целый ряд работ. Например, у садовых славок, совершающих длинные ночные миграции, ген этого белка сохраняет активность именно ночью, тогда как у неперелетных птиц «включается» только днем. Дрозофилы с отключенным геном cry теряют обычную способность ориентироваться в магнитном поле. С другой стороны, одним криптохромом дело наверняка не ограничивается: он неспособен дать информацию о направлении магнитного поля.

Поэтому многие исследователи полагают, что «шестое чувство» живых организмов не может обойтись без железа — как стрелка обычного компаса. Главным кандидатом на эту роль выступают кристаллы магнетита, которые, действительно, были обнаружены в некоторых клетках в клювах голубей. Однако впоследствии выяснилось, что эти клетки являются макрофагами и явно не могут участвовать в работе нервной системы.

Ситуация оставалась запутанной настолько, что биолог Цань Се (Can Xie) и его коллеги из Пекинского университета Бэйда выдвинули идею о том, что две системы — криптохром и железо — должны работать совместно. А чтобы поддержать свою идею, ученые провели скрининг генома дрозофилы в поисках подходящего гена. Было понятно, что где-то в нем должен скрываться код для белка с совершенно определенными свойствами. Во-первых, он должен связываться с железом и с криптохромом; во-вторых, продуцироваться и действовать внутри клетки; наконец, наиболее активно работать в голове насекомого. И такой ген был найден.

Белок-продукт этого гена (CG8198) получил новое название MagR (от Magnetic Receptor, «магнитный рецептор»), и китайские биологи даже установили в общих чертах его пространственную структуру. Они показали, что вместе с криптохромом белок формирует устойчивые комплексы, включающие «стержень» из 20 молекул MagR, окруженных спиралью, которые сложены 10 молекулами криптохрома. Такие структуры авторы нашли в клетках и бабочек, и птиц: они не только похожи на вытянутые стрелки компаса, но в опытах in vitro также ориентируются вдоль линий магнитного поля.

Интересно, что находка MagR — это не только серьезная заявка на новое понимание принципов работы магниторецепции. Чувствительные комплексы белка с криптохромом могут лечь в основу новых методов биологии. Подобно тому как фоточувствительные белки сегодня используются в оптогенетике для «точечной» активации нужных генов, в будущем регулировать работу ДНК или включать и выключать нейроны можно будет и с помощью магнитов.

Еще интереснее то, что такое предложение прозвучало еще до публикации Цаня Се и его команды. Еще в сентябре Чзан Шен-цзя (Zhang Sheng-jia), нейробиолог из Университета Циньхуа, опубликовал собственную работу по использованию магниторецепции для неинвазивной регуляции работы нейронов круглых червей C. elegans. Уже вскоре группа Цань Се выступила с заявлением о нарушении коллегами приоритета: дескать, тем уже были известны их результаты, которыми они вопреки устным договоренностям воспользовались. В октябре Чзан Шен-цзя был уволен из университета, хотя разбирательство по «делу о магнитных рецепторов» еще продолжается.