Биологи объяснили разноцветность волнистых попугайчиков

Биологи из Стенфордского университета выяснили, как волнистые попугайчики (Melopsittacus undulatus) «раскрашивают» себя в жетый, зеленый и голубой цвета. Эти птицы вырабатывают фермент поликетидсинтазу, отвечающий за выработку желтого пигмента, который окрашивает перья птиц в желтый или, если перья изначально были голубого цвета, в зеленый цвета. Единственная мутация в гене поликетидсинтазы прекращает выработку пигмента и попугайчики получаются «исходного» голубого или белого цвета. Исследование опубликовано в Cell.

Птицы из семейства попугаевых единственные представители  позвоночных, которые вырабатывают пситтакофульвины — пигменты красного, оранжевого и желтого цветов. Они выполняют полезные функции: защищают перья от бактериальных инфекций, а окраска влияет на выбор самцов самками. В отличие от каротиноидов, пситтакофульвины не поступают в организм с пищей, птицы вырабатывают их сами. Но как они это делают, до недавнего времени было неизвестно.

За последние 150 лет волнистых попугайчиков разводили в неволе и за это время часть птиц утратила способность вырабатывать желтый пигмент. Они сохранили только структурный голубой или белый цвет перьев. Если же птицы с голубыми перьями вырабатывают желтый пигмент, наложение желтого и голубого цветов дает зеленый окрас перьев.

Авторы нового исследования решили выяснить, как волнистые попугайчики вырабатывают пситтакофульвин. Для этого они попытались определить местоположение гена, отвечающего за выработку желтого пигмента, в ДНК птиц. Ученые нашли несколько мест в геноме, где мог бы находиться нужный ген (или гены), но найти среди них подходящее не смогли. Тогда они сузили область поисков и определили последовательность ДНК найденных участков у 234 птиц, 105 из которых имели голубой окрас. Также исследователи отсеквенировали участки ДНК 15 диких попугайчиков, образцы были взяты из чучел, хранящихся в австралийских музеях.

Ученые нашли подходящий ген, вероятно регулирующий выработку желтого пигмента и кодирующий фермент поликетидсинтазу MuPKS. Аналогичный фермент встречается у бактерий и грибов, и у них он регулирует выработку желтого пигмента.

В следующем эксперименте исследователи выяснили, что экспрессия фермента MuPKS происходит в контурных перьях попугайчиков, при этом белок вырабатывается как у птиц зеленого или желтого, так и у особей голубого окраса. Но оказалось, что фермент у зеленых и голубых птиц различается на одну аминокислоту. У птиц, вырабатывающих желтый пигмент, в 644 положении белковой цепи находится аргинин, а у попугайчиков, которые утратили эту способность, аргинин замещен на триптофан (R644W).

Ученые замечают, что у синтазы жирных кислот млекопитающих, очень похожей на поликетидсинтазу MuPKS, аргинин-644 связывается в активном центре фермента с субстратом малонил-коферментом А, который необходим для выработки жирных кислот. Более того, замена аргинина-644 на аланин в 100 раз уменьшила активность фермента. По-видимому, аргинин в положении 644 необходим и для работы поликетидсинтазы, а замена R644W сильно уменьшила ее активность.

Чтобы убедиться, что MuPKS действительно регулирует «производство» желтого пигмента в организме попугайчиков, авторы работы поместили гены «дикого» белка и белка с заменой R644W в дрожжи, Saccharomyces cerevisiae. Кроме того, исследователи сами сконструировали мутантный фермент с заменой R644W на основе белка дикого типа и проверили его тоже. После добавления генов поликетидсинтазы, дрожжи, несущие ген фермента «дикого» типа, стали вырабатывать экстракт желтого цвета; у дрожжей с генами мутантных белков цвет экстракта не изменился.

Недавно исследователи выяснили, как появляется полосатая окраска перьев у кур. За нее отвечают мутации, повышающие уровень экспрессии гена CDKN2A. Ранее считалось, что этот ген кодирует фермент, который подавляет рост опухолей и не связан с регуляцией окраски.

Екатерина Русакова