Впервые учёные расшифровали молекулярную структуру белка, который помогает синхронизировать биологические часы с фазами Луны. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Морской щетинковый червь Platynereis dumerilii синхронизирует свой репродуктивный цикл с фазами луны. Недавно ученые обнаружили структуру белка, который помогает ему чувствовать лунный свет.
Введение
Летней ночью в Неаполитанском заливе полчища червей поднялись из зарослей морской травы к поверхности воды под светом убывающей луны. Незадолго до этого существа начали ужасную половую метаморфозу: их пищеварительная система атрофировалась, а плавательные мышцы разрослись, в то время как их тела наполнились яйцами или сперматозоидами. Эти существа длиной с палец, теперь представлявшие собой не более чем мускулистые мешочки с половыми клетками, синхронно поднялись на поверхность и в течение нескольких часов кружили друг вокруг друга в неистовом брачном танце. Они выпустили в залив бесчисленное количество яиц и сперматозоидов — а затем лунный вальс закончился смертью червей.
Морской щетинковый червь Platynereis dumerilii имеет только один шанс спариться, поэтому его последний танец лучше бы не был сольным. Чтобы обеспечить одновременное скопление большого количества червей, этот вид синхронизирует время размножения с лунными циклами.
Как подводный червь определяет, когда луна светит ярче всего? Эволюция объясняет это точными небесными часами, заведенными молекулой, способной улавливать лунный свет и синхронизировать репродуктивный период червей с фазами Луны.
Никто раньше не видел, как работает одна из этих молекул, излучающих лунный свет. Однако недавно в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, немецкие исследователи определили различные структуры, которые принимает один из таких белков у щетинковых червей в темноте и на солнце. Они также обнаружили биохимические детали, которые помогают объяснить, как белок различает более яркие солнечные лучи и более мягкое лунное свечение.
Впервые ученым удалось определить молекулярную структуру любого белка, ответственного за синхронизацию биологических часов с фазами Луны. «Мне неизвестна другая система, которая изучалась бы с такой степенью сложности», — сказал биохимик Брайан Крейн из Корнельского университета, не принимавший участия в новом исследовании.
Подобные открытия могут иметь отношение к физиологии многих видов существ, включая человека. «У нас нет другого примера, где мы понимали бы эти механизмы на таком молекулярном уровне», — сказала Ева Вольф, биохимик из Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце (Германия), одна из соавторов статьи. «Эти исследования помогают нам начать понимать, как могут работать лунные осцилляторы и синхронизация с фазами Луны».
Хотя сегодня мы просыпаемся чаще от звонка будильника, чем от первых лучей рассвета, наши тела по-прежнему отсчитывают время с солнцем. У людей, как и у многих других животных, сложные биологические часы, называемые циркадными часами, синхронизируют ритмы организма с ритмами рассвета и заката. Криптохромные белки являются важными компонентами циркадных часов многих организмов, либо воспринимая свет, как у растений, либо координируя свои действия с другими белками, как у людей.
Это не ноги у морского щетинкового червя Platynereis dumerilii — это хитиновые щетинки, используемые для плавания. Этот вид является модельным организмом для изучения эмбриогенеза, метаморфоза, регенерации, хронобиологии и многого другого.
Хотя Луна в сотни тысяч раз тусклее Солнца, она также регулярно освещает Землю. Полный цикл, от новолуния до полнолуния и обратно, длится 29,5 дней. Многие организмы, особенно различные виды морских обитателей, используют этот лунный календарь в качестве надежных часов. Известно, что кораллы, мидии, морские черви и даже некоторые рыбы приурочивают свою репродуктивную активность к фазам Луны.
Для синхронизации своих циркалунарных часов организмам необходимо каким-то образом ощущать лунный свет и отличать его от солнечного, который по сути является тем же типом света, только гораздо более интенсивным. Точный механизм, с помощью которого клетки поддерживают лунный календарь — различают не только лунный свет от солнечного, но и полнолуние от новолуния — до сих пор остается в значительной степени загадкой.
В последнее время ученые начали задаваться вопросом, могут ли криптохромы участвовать в работе лунных часов, подобно тому как они участвуют в циркадных ритмах. В 2007 году ученые обнаружили признаки этого в некоторых кораллах, где белки криптохрома экспрессировались более активно под воздействием света.
Несколько лет назад Вольф объединился с хронобиологом Кристин Тессмар-Райбле из лаборатории Макса Перуца Венского университета, чтобы вырастить P. dumerilii, поскольку этот червь синхронизирует свое размножение с фазами Луны. Они доказали, что светочувствительный криптохром L-Cry является важнейшим элементом лунных часов червя. Работа их команды, опубликованная в 2022 году, показала, что этот белок может различать темноту от солнечного света, а также лунный свет.
Однако механизм действия этого белка оставался неясным. Фактически, ни одни циркалунарные часы организмов не были изучены на биохимическом уровне.
«Этот факт был практически незамечен», — сказал Вольф. «К этому незначительному сигналу лунного света не относились серьезно. Всегда говорили о противостоянии солнца и темноты».
Чтобы понять, как работает L-кри, исследователи хотели зафиксировать, как изменяется его структура при воздействии света. Вольф отправил белки L-кри из червей в Кёльнский университет, чтобы их можно было визуализировать в лаборатории структурной биохимии Эльмара Бермана, которая специализируется на чувствительных, эфемерных белках. Но опытная команда Бермана годами боролась за то, чтобы заставить L-кри вести себя достаточно хорошо для визуализации с помощью криоэлектронного микроскопа.
Лаборатория Эльмара Бермана в Кёльнском университете специализируется на визуализации чувствительных белков. Сначала он очистил образцы белка L-Cry с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (слева), а затем использовал криогенный электронный микроскоп (справа) для определения его структуры.
В то время они этого не знали, но свет проникал в образцы. «Наверное, полтора года, когда мы думали, что работаем в темноте, нам было недостаточно темно», — сказал Берманн. После того, как они заклеили черной силиконовой лентой все щели в дверях и мигающие светодиоды, они наконец получили четкое изображение.
В темноте L-кринные белки P. dumerilii образуют связанные пары, называемые димерами. Под воздействием интенсивного солнечного света димеры снова распадаются на два мономера.
По словам Крейна, это противоположно тому, как светочувствительные криптохромы у растений отличают солнечный свет от темноты. На солнце криптохромы растений группируются, а в темноте распадаются.
В этих экспериментах не удалось напрямую зафиксировать лунную форму L-Cry, но новое понимание димерных структур показывает, как L-Cry отличает лунный свет от солнечного. Лунная форма белка может быть создана только из темного димера, а не из свободно плавающей солнечной формы. Это помогает объяснить, как черви избегают путать тусклый свет рассвета и заката с лунным светом.
Хотя это исследование сосредоточено всего на одном белке у одного животного, есть основания полагать, что этот механизм лунной синхронизации является частью эволюционной истории, выходящей за рамки трагических лунных романов щетинковых червей. «Вполне возможно, что другие типы криптохромов также используют этот механизм», — сказал Крейн.
У других животных репродуктивные циклы длятся ежемесячно, хотя они не обязательно напрямую связаны с луной. Например, у нас, людей, цикл примерно такой же длины, как лунный цикл, — сказала Тессмар-Райбл. — Менструальный цикл, по определению, является ежемесячным осциллятором.
Любая возможная роль фаз Луны в синхронизации менструального цикла человека вызывает много споров. Тем не менее, менструации, месяцы и Луна могут иметь общие корни не только в этимологии. Гормоны червей-щетинок, которые колеблются в такт лунным фазам, имеют близких родственников у человека, сказала Тессмар-Райбл. «Я думаю, не будет слишком надуманным предположить, что черви могут проложить путь к [пониманию] ежемесячного репродуктивного цикла у человека». Возможно, наши современные 28-дневные ритмы — это эволюционные остатки, собранные из фрагментов более древних клеточных часов, которые в каком-то мелководном первобытном море когда-то помогали морским червям синхронизироваться с лунным циклом.
Источник: www.quantamagazine.org
