Биохимики выяснили механизм возникновения красной окраски птиц

Биохимики из США и Португалии выяснили, как в клетках позвоночных желтые пигменты каротиноиды превращаются в красные кетокаротиноиды, ответственные за красную окраску некоторых позвоночных. Оказалось, что для этого превращения необходимы два фермента, а третий, вспомогательный, играет роль переносчика реагирующих молекул. Исследование опубликовано в журнале Current Biology.

Присутствие пигментов на основе каротина и его производных в клетках позвоночных приводит к возникновению окраски. Молекулы этих пигментов содержат длинные цепочки из атомов углерода, соединенных двойными связями. Благодаря этому энергия перехода электронов молекулы с одного энергетического уровня на другой небольшая, и видимого света достаточно для возникновения излучения. Причем каротиноиды обычно дают желтый цвет, а кетокаротиноиды, которые содержат несколько электроноакцепторных кето-групп в структуре молекулы, дают красные оттенки.

Обычно пигменты накапливаются в клетках покрова животных, но в случае птиц и рептилий еще и в колбочках сетчатки, которые ответственны за цветовое зрение этих животных. Причем исходные каротиноиды животные получают из пищи, а внутри клеток они превращаются в желтые ε,ε-каротиноиды и апокаротиноиды и красные кетокаротиноиды. При этом механизм превращения каротиноидов в апокаротиноиды ученые изучили, а про биосинтез кетокаротиноидов и ε,ε-каротиноидов до сих пор почти ничего не известно.

Биохимики под руководством Мэттью Туми (Matthew B. Toomey) из Университета Талсы решили изучить это превращение на примере птиц. В экспериментах они использовали клетки колбочек недавно вылупившихся банкивских джунглевых куриц (Gallus gallus). Сначала биохимики облучили колбочки монохроматическим светом и исследовали особенности их флуоресценции. Так ученым удалось выделить шесть разных типов колбочек. Причем в колбочках только одного из шести типов пигментов на основе каротина не было.

Далее ученые секвенировали РНК клеток колбочек и исследовали их транскриптом. Среди сотен разных генов биохимикам удалось выделить один (CYP2J19), чаще всего встречающийся в красных колбочках куриц. И чтобы выяснить, действительно ли найденный ген нужен для превращения каротиноидов в кетокаротиноиды, биохимики экспреccировали его в клетках млекопитающих (HEK293) с искусственно введенным в них каротиноидом зеоксантином. После инкубации в течение суток ученые измерили содержание разных пигментов в клетке с помощью жидкостной хроматографии и не обнаружили кетокаротиноида астаксантина, в который должен превращаться зеоксантин. Поэтому биохимики продолжили поиски ферментов, ответственных за превращения каротиноидов.

Среди ранее найденных генов ученые выделили еще два, ответственных за синтез ферментов оксидоредуктаз. Эксперименты по экспрессии этих генов в клетках млекопитающих показали, что кетокаротиноид астаксантин образуется только в случае, когда в клетке одновременно экспрессируются два гена — CYP2J19 и BDH1L. Причем функции фермента, который синтезируется в клетках благодаря BDH1L, ранее изучены не были. Так ученые смогли обнаружить два гена, необходимых для биосинтеза красных кетокаротиноидов.

Далее биохимики проанализировали транскриптом клеток перьевых фолликулов других птиц — бриллиантовой амадины (Stagonopleura guttata), красноголовой попугайной амадины (Erythrura psittacea), тростникового астрильда (Bathilda ruficauda) и золотого дятла (Colaptes auratus). Сравнение транскриптомов птиц с красным и оранжевым оперениями показало, что у красных птиц ген TTC39B экспрессируется в 10 раз активнее, чем у оранжевых. Ученые предполагают, что он нужен для транспортировки каротиноидов до места их превращения, и в его присутствии биосинтез красных кетокаротиноидов идет активнее.

В результате ученым удалось определить гены, ответственные за превращение красных кетокаротиноидов из желтых каротиноидов не только у птиц, но и у рыб, в клетках которых реализуется аналогичный процесс.

Иногда окраска животных помогает изучать их условия обитания. Например, ранее мы рассказывали о том, как с помощью изучения окраски ученые выяснили, что динозавр пситтакозавр (Psittacosaurus sp.) обитал в густом лесу.

Михаил Бойм