Мутации в рецепторе умами превратили певчих птиц в сладкоежек

Птицы утратили способность воспринимать сладкий вкус на ранних этапах эволюции, так что предкам современных видов, питающихся фруктами и нектаром, пришлось приобретать это умение заново. Например, как выяснили специалисты, певчие птицы повторно научились воспринимать сладкое примерно 34-23 миллиона лет назад. В этом им помогли мутации в рецепторе умами, благодаря которым он также стал реагировать и на сладкий вкус. При этом, как отмечается в статье для журнала Science, даже те певчие птицы, что сегодня питаются насекомыми или семенами, в основном сохранили способность различать сладкую еду.

Многие птицы любят фрукты, цветочный нектар и другие виды пищи с высоким содержанием сахаров. Такой рацион свидетельствует, что они хорошо различают сладкое. Тем не менее, как известно специалистам, еще на ранних этапах эволюции птицы утратили ген TAS1R2, необходимый для производства одного из двух белков, входящих в состав рецептора сладкого вкуса. Скорее всего, эта потеря объясняется тем, что ранние пернатые питались в основном насекомыми и редко сталкивались со сладкой пищей. В результате видам, которые адаптировались к питанию плодами или нектаром, пришлось заново развивать способность воспринимать сладкое. Например, колибри модифицировали для этого рецептор вкуса умами, состоящий из белков TAS1R1 и TAS1R3.

Команда биологов во главе с Мод Болдуин (Maude Baldwin) из Института орнитологии Общества Макса Планка (именно она руководила упомянутым выше исследованием, посвященным эволюции рецепторов сладкого вкуса у колибри) решила выяснить, как устроена способность воспринимать сладкое у представителей отряда воробьинообразных (Passeriformes), который включает большинство современных видов птиц. Плодоядные и нектароядные формы неоднократно возникали в разных эволюционных ветвях данной группы, однако оставалось неясным, научились ли они воспринимать сладкое независимо друг от друга или унаследовали эту способность от общего предка.

Сначала Болдуин и ее соавторы провели поведенческие тесты с белоглазыми медолюбами (Phylidonyris novaehollandiae), австралийскими пернатыми из семейства медососов (Meliphagidae), которые питаются в основном нектаром. Птицам предлагали выбор между чистой водой и водой с добавлением сахара — и те предпочитали подслащенную. Результаты эксперимента убедительно продемонстрировали, что медолюбы могут различать сладкий вкус. Однако, когда исследователи повторили опыт с зерноядными канарейками (Serinus canaria), те также проявили больший интерес к подслащенной воде. Таким образом, способность воспринимать сладкий вкус присутствует даже у тех воробьинообразных птиц, что не питаются фруктами и нектаром.

На следующем этапе исследователи проанализировали, как работают рецепторы умами TAS1R1-TAS1R3 у воробьинообразных птиц из подгруппы певчих (Passeri). Оказалось, что у видов, которые потребляют большое количество плодов и нектара (медолюбов, японских белоглазок (Zosterops japonicus) и рыжеухих бюльбюлей (Hypsipetes amaurotis)), эти рецепторы реагируют не только на аминокислоты, но и на углеводы — то есть помимо восприятия умами, также позволяют ощущать сладкий вкус. Аналогичные результаты были получены и для зерноядных и насекомоядных видов - канареек и больших синиц (Parus major).

Дополнительные исследования показали, что насекомоядных представителей подгруппы кричащих воробьиных (Tyranni), которая отделилась от певчих птиц в начале кайнозоя, рецепторы TAS1R1-TAS1R3 реагируют только на аминокислоты, но не на углеводы. Таким образом, у данной группы они служат лишь для восприятия вкуса умами. По мнению авторов, полученные данные указывают, что рецептор умами взял на себя дополнительные функции рецептора сладкого вкуса уже после разделения воробьинообразных на певчих и кричащих, причем в линии певчих птиц это произошло всего один раз. Дополнительным аргументом в пользу данной идеи служит тот факт, что рецептор TAS1R1-TAS1R3 у бурой ложнопищухи (Climacteris picumnus), примитивной певчей птицы из Австралии, сильно реагирует на аминокислоты и намного слабее на углеводы.

Реконструировав гипотетическое строение рецепторов на разных этапах эволюции воробьинообразных, Болдуин и ее коллеги пришли к выводу, что способность воспринимать сладкий вкус возникла уже у общего предка медососов и остальных певчих птиц. При этом чтобы TAS1R1-TAS1R3 начал реагировать на углеводы, мутации должны были произойти в обоих составляющих его белках. Как выяснили авторы, в белке TAS1R1 эти мутации лежат в регионе, состоящем из семи аминокислот, а на белке TAS1R3 — в регионе, состоящем из девяти аминокислот. Интересно, что основная часть этих нуклеотидов в лигандсвязывающей области рецептора приходится на белок TAS1R1, а не TAS1R3, как у колибри. Таким образом, конкретные мутации, придавшие рецептору умами дополнительные функции рецептора сладкого, в двух этих группах отличаются. Помимо лигандсвязывающей области, изменения в рецепторе умами у певчих птиц затронули области, отвечающие за активацию рецептора и передачу сигнала.

Ранние этапы эволюции певчих птиц шли в Австралии и, судя по всему, именно здесь представители данной группы научились воспринимать сладкий вкус. Болдуин и ее соавторы предполагают, что этот сдвиг мог быть связан с постепенной аридизацией австралийского климата в олигоцене, 34-23 миллиона лет назад. По мере того как на континенте становилось все суше, здесь распространялись различные виды эвкалиптов. Эти деревья нередко производят сладкие выделения, известные как манна, которые местные птицы с удовольствием используют в пищу. Возможно, приспосабливаясь поедать манну, предки современных певчих птиц и превратились в сладкоежек. Впрочем, возможно, что мутации в рецепторе умами, благодаря которым он стал воспринимать еще и сладкий вкус, начали накапливаться еще раньше.

После того, как певчие птицы из Австралии расселились по остальному миру, они, независимо от рациона, в основном сохранили способность воспринимать сладкое, характерную для их предков. Данная черта позволяет даже насекомоядным и зерноядным видам периодически кормиться фруктами и нектаром, а также за сравнительно короткие сроки эволюционировать в плодоядные и нектароядные формы.

Предки летучих мышей также утратили способность различать сладкий вкус. Хотя у некоторых насекомоядных видов сохранились гены белков TAS1R2 и TAS1R3, они повреждены мутациями и не работают. Даже виды из семейства листоносов, которые перешли на питание фруктами и нектаром, за редкими исключениями не успели восстановить работу данных рецепторов.

Сергей Коленов