Кольчатых червей уличили в синтезе растительного аналога холестерина

Биоинформатики и биологи из Германии, Великобритании и США обнаружили, что морские кольчатые черви Olavius algarvensis способны к синтезу ситостерина — это соединение выполняет у растений те же функции, что холестерин у большинства животных. Раньше считалось, что животные утратили способность синтезировать ситостерин вскоре после появления многоклеточных организмов. Но из статьи, опубликованной в Science, следует, что метаболические пути, необходимые для синтеза ситостерина, сохранились у представителей минимум пяти типов царства животных.

Стероиды важны для эукариот — они регулируют вязкость мембран и участвуют в межклеточной передаче сигналов. У большинства животных основной стероид — это холестерин, в то время как у растений и грибов аналогичные функции выполняют фитостерины и эргостерол.

Для синтеза фитостеринов необходимо, чтобы в организме функционировали 10-13 ферментов, в том числе фермент С24-стеролметилтрансфераза (C24-SMT). Животные, судя по данным филогенетики, утратили этот фермент на уровне предка Eumetazoa. Соответственно, многоклеточные животные (за исключением губок) не должны быть способны к синтезу фитостеринов, которые у человека влияют на липидный обмен и регулируют деление клеток. Этот признак даже используют при изучении окаменелостей.

По мере накопления метаболомных данных оказалось, что у некоторых многоклеточных фитостероиды преобладают среди стероидов. Так, группа биологов из Германии, США и Великобритании во главе с Николь Дюбилье (Nicole Dubilier) и Мануэлем Либеке (Manuel Liebeke) из Института морской микробиологии общества Макса Планка в Бремене обнаружила, что в спектре стероидов морского бескишечного малощетинкового кольчатого червя Olavius algarvensis примерно 60 процентов приходится на ситостерин. Поскольку у червя нет кишечника, то находку сложно объяснить контаминацией образца растительным материалом.

Ученые решили выяснить происхождение стероидов в организме морского червя. Сравнение доли изотопов 13С в ситостерине из организма O. algarvensis и в образцах воды из их местообитания показало более низкое содержание изотопа 13С в ситостерине — следовательно, черви синтезируют стероиды, а не получают их извне. Затем ученые поискали гены, кодирующие ферменты для синтеза ситостерина, в метагеноме микроорганизмов-симбионтов O. algarvensis (бактериальные симбионты у червя довольно хорошо изучены) — и не обнаружили их. Зато такие гены были найдены в геноме самого O. algarvensis — включая ген, кодирующий C24-SMT. Следовательно, заключили авторы статьи, червь синтезирует фитостерины самостоятельно.

Чтобы изучить каталитические свойства фермента, исследователи трансдуцировали кишечную палочку кассетой с геном, кодирующим C24-SMT. Изучение активности продукта этого гена показало, что фермент катализирует последовательно две реакции метилирования стероидов-предшественников холестерина — зимостерола и десмостерола. Эти две реакции позволили переключить метаболизм стероидов с типичного для животных синтеза холестерина на ситостерин.

Выяснив, какой фермент критически важен для синтеза ситостерина у животных, ученые изучили метаболом и геном других малощетинковых кольчатых червей, в том числе глубоководных, живущих в биотопах, где не представлены растения. Гомологи С24-стеролметилтрансферазы были обнаружены еще у 20 видов кольчатых червей, а доля ситостерина в спектре стероидов у них составляла от 10 до более 50 процентов.

Подключив данные биоинформатики, ученые обнаружили гомологи фермента, необходимого для синтеза фитостерина животными, у трех групп эуметазоев — кишечнополостных, коловраток и моллюсков, и во всех случаях они отличались от растительных ферментов. Кроме того, гены, кодирующие C24-SMT, были найдены в геномах губок, нематоды и даже растительноядной летучей мыши, но в двух последних случаях обнаружение фермента авторы сочли признаком контаминации. (О том, как контаминация образцов влияет на исследования в области геномики, читайте в материале «Наследили тут».)

Филогенетическое древо ферментов не совпадало с современными представлениями об эволюции эукариот. Профессор Либеке с коллегами предполагают, что появление генов С24-SMT у некоторых представителей фауны могло быть связано с горизонтальным переносом генов вирусами (что, как становится понятно в последние годы, не такая уж редкость у животных). Впрочем, пока убедительных подтверждений этой гипотезы не найдено, как и неясно, дает ли такое изменение метаболизма эволюционное преимущество животным, способным синтезировать ситостерин.

Изменение метаболизма холестерина вызывает серьезные последствия у животных, которым требуется этот стероид. Например, у самок осьминогов после спаривания усиливается синтез холестерина и стероидных гормонов, и в результате животные быстро погибают после появления потомства. Но, например, вороны, столкнувшиеся в городах с высокохолестериновой диетой, от нее (на первый взгляд) не пострадали.