Позвоночные получили от бактерий белок, необходимый для работы сетчатки

Рис 1. Когда-то в древнем океане бактерия поделилась своим геном с животным, похожим на современного ланцетника. Это дало возможность его далеким потомкам сформировать сложную многослойную сетчатку и обеспечивать ее работу. Рисунок © Георгий Куракин

Среди множества белков, обеспечивающих работу нашей зрительной системы, есть белок IRBP — он обеспечивает перенос светочувствительного вещества ретиналя между фоторецепторами сетчатки и пигментным эпителием. Это необходимо для регенерации «правильной» формы ретиналя, пригодной для восприятия света. Новое биоинформатическое исследование показало, что наши далекие предки получили ген белка IRBP от бактерий в результате горизонтального переноса. Получается, бактерии в какой-то степени подарили нам способность видеть.

С миру по белку — животному глаза!

...Чарльз Дарвин очень любил свою набожную супругу Эмму и долго не решался показать ей черновик своего знаменитого «Происхождения видов» из опасения расстроить или напугать ее. Но в какой-то момент он это все-таки сделал — ему нужен был кто-то, кто издаст книгу в случае его смерти. К чести Эммы, она отнеслась к сочинению спокойно и с пониманием, только предложив незначительные правки. Лишь в одном месте, где Дарвин предполагал, что такой сложный орган, как глаз, мог развиться путем естественного отбора, она не удержалась и приписала: «Сильное допущение».

Замечание Эммы на полях как нельзя лучше отражает трудность, которую глаза представляли для тогдашних эволюционистов. Это был козырной туз для креационистов с их аргументом «неупрощаемой сложности»: если половину крыла еще как-то можно было себе представить, то развившийся наполовину глаз казался абсолютно бесполезным.

Во времена Дарвина, конечно, не был описан полный набор переходных форм глаз. Теперь мы знаем, что эволюция начинала с простейших фоточувствительных пятен (какие и сейчас сохранились у моллюска морского блюдечка) и далее двигалась по двум главным путям (рис. 2) — в сторону сложных глаз (как фасеточные глаза насекомых) и глаз камерного типа (как у современных позвоночных и головоногих моллюсков). Видимо, каждый из путей эволюция проходила много раз — и в некоторых таксонах пока не дошла до конца, оставив нам много живых переходных форм. Например, таких, как моллюск наутилус с глазами в виде камеры-обскуры без хрусталика или арки с их простейшими сложными глазами (которым еще далеко до фасеточных глаз насекомых). Так что эволюция структуры глаза теперь относительно понятна ученым. Но молекулярные механизмы этой эволюции интересуют исследователей до сих пор.

Рис. 2. Два пути эволюции глаз от простого пятна из светочувствительных клеток (вверху слева) со всеми переходными формами. Слева — сложные глаза членистоногих, справа — глаза камерного типа, присутствующие у позвоночных и головоногих моллюсков. Рисунок с сайта visualcapitalist.com

Спустя более чем полтора века после публикации «Происхождения видов» японская телерадиокомпания NHK (NHK Educational TV) выпускает документальный сериал «Скачки эволюции» (Leaps In Evolution) — и его первая серия посвящена эволюции глаз и тех молекул, которые сделали их возникновение возможным. Формирование органа зрения было для эволюции действительно сложной задачкой — и ради этого она многократно меняла существующие гены и белки и даже... переносила их от одного вида к другому.

Вальтер Геринг (Walter Jakob Gehring) предполагал, что даже родопсин — фоточувствительный белок, позволяющий сетчатке преобразовывать свет в химические сигналы, — был позаимствован нашими медузообразными предками у микроскопических водорослей динофлагеллят, у которых тоже есть глазки сложного строения (W. J. Gehring, 2005. New Perspectives on Eye Development and the Evolution of Eyes and Photoreceptors). По его мнению, это могло произойти в организме медузы, живущей в симбиозе с динофлагеллятами, — такие виды есть и поныне. А динофлагеллятами, в свою очередь, родопсин мог быть позаимствован у цианобактерий, которым нужно отличать свет от тьмы для успешного фотосинтеза. Следует отметить, что пока такое предположение не подтверждено и разделяется не всем научным сообществом — хотя бы потому, что родопсины бактерий, динофлагеллят и животных сильно различаются структурно. Возможно, они возникли путем конвергентной эволюции (K. Kojima, Y. Sudo, 2023. Convergent evolution of animal and microbial rhodopsins).

Но даже с учетом этого масштаб использования генетического «подручного материала» в создании глаз позвоночных поражает. Гены белков эфринов, определяющие расположение клеток сетчатки, возникли в результате двухкратного удвоения (то есть «учетверения») предкового гена. Фокус в том, что это «учетверение» произошло вместе со всем геномом на ранних стадиях эволюции позвоночных — то есть мы все генетически тетраплоиды.

Наконец, хрусталик тоже пришлось строить из того, что было «под рукой». По определению, линза глаза должна быть сделана из прозрачного материала, а в организме не так много возможностей его создать.

Лишь небольшое число организмов за всю историю живого мира приобрели линзы из неорганического материала — к ним относятся, например, моллюски хитоны (Минеральные глаза моллюсков хитонов способны различать форму объекта, «Элементы», 23.11.2015). Ранее выдвигалась (и даже была широко растиражирована) гипотеза, что в сложных глазах трилобитов хрусталики были сделаны из кальцита. Но сейчас даже она поставлена под сомнение: возможно, линзы их глаз были сделаны из хитина, а кальцит заменил его в ходе окаменения (Палеоэнтомологи усомнились в уникальности глаз трилобитов, «Элементы», 13.09.2019). Большинству живых организмов пришлось делать хрусталики глаз из белков (которые называются кристаллинами) — и на первый взгляд возникает впечатление, что эволюция, многократно изобретая кристаллины, делала их просто из ферментов, которые подвернутся под руку. Кристаллины птиц и рептилий произошли от лактатдегидрогеназ (которые задействованы в молочнокислом брожении и иногда фигурируют в биохимическом анализе крови) и аргининосукцинат-лиаз, кристаллины млекопитающих — от алкогольдегидрогеназ (метаболизирующих спирты) и хинон-редуктаз, а кристаллины головоногих — от глутатион-S-трансфераз и альдегиддегидрогеназ (которые, опять же, участвуют в метаболизме спиртов). В общем, история наших хрусталиков — это история смены функций белков с ферментативной на светопреломляющую.

Как недавно выяснила группа исследователей из Университета Калифорнии в Сан-Диего, в эволюции сетчатки позвоночных однажды произошло похожее событие. Да еще и связанное с горизонтальным переносом гена от бактерии.

У кого сетчатка многослойней?

Эволюция приходила к «камерному» дизайну глаза не менее двух раз. Такой глаз независимо возник у головоногих моллюсков и позвоночных. Но, несмотря на сходство аппарата светопреломления и аккомодации, строение сетчатки у этих двух групп организмов различается кардинально (рис. 3). У головоногих моллюсков оно простое: сетчатка представлена слоем фоторецепторных клеток, у каждой из которых есть длинный аксон, отходящий с «задней» стороны. Объединяясь вместе, аксоны формируют зрительный нерв. При таком «дизайне» сетчатки у волокон зрительного нерва нет необходимости прободать фоторецепторный слой — а значит, у головоногих моллюсков нет и слепого пятна.

Рис. 3. Слева — глаз позвоночного, справа — глаз головоногого моллюска. 1 — фоторецепторные клетки, 2 — волокна зрительного нерва, 3 — зрительный нерв, 4 — слепое пятно. Можно заметить, что у головоногих моллюсков слепого пятна нет, так как волокна зрительного нерва у них проходят за фоторецепторными клетками, а не перед ними. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Сетчатка позвоночных, в том числе наша с вами, устроена в разы сложнее. Она похожа на многослойный пирог, причем, чтобы достигнуть фоторецепторов, свет должен сначала пройти через нервные клетки, обеспечивающие первичную обработку сигналов (рис. 4). Именно их отростки формируют зрительный нерв — а значит, необходимо отдельное «окно» для их выхода, которое называется диском зрительного нерва, или слепым пятном. Такой тип сетчатки называется инвертированным.

Рис. 4. Многослойная структура сетчатки позвоночных. На этой схеме падающие на сетчатку лучи света проходят снизу вверх. RPE — пигментный эпителий сетчатки; OS — наружный сегмент фоторецепторов; IS — внутренний сегмент фоторецепторов; ONL — внешний ядерный слой; OPL — внешний сплетениевидный слой; INL — внутренний ядерный слой; IPL — внутренний сплетениевидный слой; GC — ганглионарный слой; BM — мембрана Бруха; P — пигментные эпителиоциты; R — палочки; C — колбочки; стрелка и пунктирная линия — внешняя пограничная мембрана; H — горизонтальные клетки; Bi — биполярные клетки; M — клетки Мюллера; A — амакриновые клетки; G — ганглионарные клетки; AX — аксоны. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Фоторецепторные клетки — это еще не самый «задний» слой глаза. Сзади к ним прилежит пигментный эпителий. Его клетки обеспечивают питание фоторецепторов и, что особенно важно, регенерацию зрительного пигмента.

Фоторецепторными молекулами человеческого глаза (и глаз других животных) являются родопсин и другие опсины — структурно и эволюционно близкие к нему белки. Располагаясь на мембране фоторецепторных клеток, они состоят из 7 спиралей, каждая из которых пронизывает мембрану. Между спиралями, в центре белка, располагается его «святая святых» — ретиналь, производное витамина А. Под действием кванта света он изомеризуется (из цис-формы в транс-форму), что меняет конформацию белка. Это, в свою очередь, запускает цепь внутриклеточных событий, в итоге приводящих к генерации нервного импульса.

Дальше возникает проблема: ретиналь не может спонтанно перейти обратно в цис-форму, для этого ему требуется снова пройти химическое превращение: уже под действием ферментов и без участия квантов света.

В сетчатке головоногих моллюсков такая регенерация происходит в самих фоторецепторных клетках. А вот в нашей сетчатке процессы восприятия света с обесцвечиванием зрительного пигмента и его регенерации пространственно разделены: первый происходит в фоторецепторных клетках, а вот второй — в клетках пигментного эпителия (рис. 5). А это значит, что нужен белок, который «перетаскивал» бы ретиналь между пигментным эпителием и фоторецепторами. Такой белок-переносчик есть, и он называется IRBP — interphotoreceptor retinoid-binding protein, межфоторецепторный ретинол-связывающий белок. Мутация в гене этого белка вызывает редкую форму пигментного ретинита, то есть этот белок очень важен для световосприятия.

Рис. 5. В фоторецепторной клетке (вверху) цис-ретиналь превращается в транс-ретиналь под действием кванта света, что запускает процесс восприятия света. Далее белок IRBP переносит транс-ретиналь в клетки пигментного эпителия (внизу), где он под действием ферментов снова становится цис-ретиналем и возвращается обратно в фоторецепторы — снова в комплексе с IRBP. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Эволюционные приключения IRBP

IRBP давно используется как филогенетический маркер для отслеживания эволюции позвоночных методами биоинформатики. Но только недавно биоинформатики решили выйти за пределы подтипа Позвоночные и проверить, у кого еще есть этот белок. Для этого достаточно было выполнить поиск по базам данных белковых последовательностей. Выяснилось, что ближайшие «родственники» IRBP позвоночных закодированы... в геномах бактерий. Это позволило предположить, что ген IRBP был когда-то перенесен в ДНК предков позвоночных. Такое явление называется горизонтальным переносом генов.

Еще интереснее оказалось то, что белки бактерий, родственные IRBP, выполняют совершенно другую функцию, не связанную с восприятием света или даже метаболизмом ретиналя. Они являются пептидазами — то есть ферментами, расщепляющими пептиды.

Чтобы убедиться родстве пептидаз бактерий и IRBP позвоночных, исследователи загрузили в специальную компьютерную программу последовательности IRBP и его бактериальных родственников и по ним реконструировали эволюционное (или филогенетическое) дерево этих белков. Выяснилось, что ветка, на которой находятся все наши IRBP, отходит внутри одной из веток обширного дерева бактериальных пептидаз (рис. 6). Сомнений не осталось: это именно горизонтальный перенос гена от бактерий к позвоночным.

Рис. 6. Филогенетическое дерево бактериальных пептидаз семейства S41, внутри одной из ветвей которого отходит веточка поменьше, обозначенная синим. Это и есть все IRBP позвоночных. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

При этом белок сменил функцию — и это оставило следы в его последовательности. Бактериальной пептидазе нужен остаток серина в активном центре: его химически активная –ΟΗ-группа используется для разрыва пептидных связей. Так как белок у позвоночных больше «не работает» ферментом, каталитический серин утрачен у большинства видов (рис. 7). Перед нами — яркий пример горизонтального переноса гена с неофункционализацией.

Рис. 7. Характерная последовательность небольшого участка IRBP (внизу) и его бактериальных гомологов (вверху) в формате sequence logo. В то время, как в бактериальных пептидазах всегда присутствует остаток серина (S), необходимый для расщепления пептидов, в большинстве IRBP он утрачен — так как расщеплять больше ничего не нужно. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

А как это случилось?

По результатам этого анализа мы можем только сказать, что однажды где-то в древних морях предки позвоночных (по всей видимости, похожие на современных ланцетников), получили от бактерий ген пептидазы в результате горизонтального переноса. Этот ген смог закрепиться в потомках и впоследствии перестроиться на новую функцию, обеспечивая перенос ретиналя в сетчатке, а не расщепление пептидов.

Сам факт горизонтального переноса гена от бактерии к многоклеточной эукариоте может вызывать удивление — если бактерии регулярно обмениваются генами в результате конъюгации, активно поглощают из окружающей среды чужую ДНК (и не брезгуют вставить ее в свой геном), то для эукариот такое относительно несвойственно. Горизонтальные переносы от бактерий к эукариотам случаются часто, если эти бактерии — их симбионты, или если эукариота размножается бесполым путем (J. C. Dunning Hotopp, 2012. Horizontal gene transfer between bacteria and animals). Как минимум второе условие в случае хордовых отпадает.

Но даже без него возможно множество сценариев, при которых похожее на ланцетника хордовое постоянно сталкивается с бактериальной ДНК так, что однажды она попадет к нему в клетку половой линии. Это мог быть симбиоз, или массивная колонизация хордового «подходящими» бактериями, или просто обитание в общем биотопе. Но что конкретно — мы, к сожалению, не знаем. Такие события не оставляют в ДНК следов, указывающих на то, как именно они произошли.

Каждый из нас носит в себе примерно по три килограмма микробов, но шансов завтра проснуться и обнаружить себя видящим в ультрафиолете из-за заноса в сетчатку очередного бактериального гена немного, согласитесь. С вашими детьми такого тоже не случится — причина лишь в том, что горизонтальные переносы генов от бактерий к эукариотам случаются крайне редко. Чтобы стать свидетелем такого события, вам пришлось бы ждать миллионы лет. Но у эволюции это время было.

Обретение гена белка IRBP в результате горизонтального переноса — еще один факт в «копилку» наших знаний о формировании глаз из «подручного» генетического материала. Жалко, что Дарвин уже не увидит этих фактов. Возможно, даже его набожная супруга сочла бы их достаточными доказательствами эволюции. В конце концов, приписать Создателю формирование глаза из попавших под руку белков, исходно для этого не предназначенных — значит, думать о Нем слишком плохо.

Источник: Chinmay A. Kalluraya, Alexander J. Weitzel, Brian V. Tsu, and Matthew D. Daugherty. Bacterial origin of a key innovation in the evolution of the vertebrate eye // PNAS. 2023. DOI: 10.1073/pnas.221481512.

Георгий Куракин