Рис. 1. Диретма (Diretmus argenteus) — рыба с наибольшим известным числом генов опсинов палочек. Их у нее 38, из которых экспрессируются по крайней мере 14 — больше, чем у стрекоз (12) и раков-богомолов (13). Изображение с сайта fishesofaustralia.net.au

У позвоночных светочувствительные клетки сетчатки глаза бывают двух типов: палочки и колбочки. Первые обеспечивают зрение даже в сумерках, вторые — только при достаточно ярком освещении. Рыбам, живущим на большой глубине, колбочки не слишком нужны, и они нередко обходятся вовсе без этого типа клеток. Как показал анализ геномов более 100 видов глубоководных рыб, у них встречается до нескольких десятков разновидностей пигментов палочек (в то время как у большинства позвоночных — всего одна). Что такое многообразие дает рыбам — особый тип цветового зрения, большую светочувствительность глаза или и то, и другое — пока неизвестно.

Зрение — важное чувство, на которое полагаются многие животные, а у приматов и птиц его вообще можно назвать ведущим. В самом базовом варианте оно позволяет определить наличие света и его интенсивность. Излучение с определенной длиной волны (в частности, ультрафиолетовое) губительно действует на ДНК, провоцируя появление димеров составляющих ее нуклеотидов. Поэтому даже самым простым организмам, состоящим всего из одной клетки без ядра, выгодно иметь светочувствительные структуры, чтобы вовремя скрываться от нежелательного излучения. Также фоторецепция (то же, что светочувствительность, но переданное при помощи греческого и латинского корня) дает возможность следить за перемещениями объектов и, конечно, различать эти объекты. Плюс ко всему, фотосинтезирующим организмам имеет смысл тянуться к свету, а чтобы понять, где его больше, тоже нужны специальные молекулы или даже целые клетки и органы.

У позвоночных, за исключением совсем уж специализированных обитающих под землей или в пещерах видов, есть парные камерные глаза, включающие линзу — хрусталик и светочувствительную оболочку — сетчатку. Свет попадает в глаз через отверстие — зрачок, преломляется в хрусталике и попадает на сетчатку, вывернутую наизнанку: фоторецепторные клетки составляют самый внутренний из ее слоев. Уже у примитивных позвоночных вроде круглоротых фоторецепторы начинают специализироваться. Одни позволяют различать цвета, но требуют для этого мощного освещения, а другим для работы достаточно света гораздо меньшей интенсивности, но цветовое зрение они не способны обеспечить. Называются эти рецепторы колбочками и палочками соответственно, и первые — предки вторых.

Конечно, палочки и колбочки отличаются не только функциями, но и строением (рис. 2). У каждой такой клетки можно выделить область контакта с другими нейронами, а также внутренний и наружный сегменты. Внутренний сегмент несет ядро и митохондрии, а наружный — мембраны со светочувствительными молекулами (пигментами) на них. У палочек такие мембраны не связаны с оболочкой клетки и плавают в цитоплазме, а у колбочек связи несущих пигменты мембран с наружной оболочкой сохраняются. Вероятно, отсюда проистекает часть различий в возможностях двух типов фоторецепторов, но это пока не слишком подтверждается (см. A. Morshedian, G. L. Fain, 2015. Single-Photon Sensitivity of Lamprey Rods with Cone-like Outer Segments).

Рис. 2. Схема строения палочки и колбочки челюстноротых позвоночных. У палочек диски не соприкасаются с плазматической мембраной. Рисунок из статьи R. H. Cote, 2006. Photoreceptor Phosphodiesterase (PDE6): A G-Protein-Activated PDE Regulating Visual Excitation in Rod and Cone Photoreceptor Cells, с изменениями

Что точно отличается у фоторецепторов и придает им различную чувствительность, так это набор пигментов. У палочек это почти всегда родопсин, практически одинаковый у разных видов животных, поэтому палочки не делят на типы. В колбочках же содержатся фотопсины (см. Photopsin). Выделяют несколько разновидностей фотопсинов, и по тому, какая из них содержится в колбочке, ее причисляют к тому или иному типу. Как правило, в сетчатке присутствует несколько типов колбочек. Иногда можно встретить термин «конопсин», образованный по аналогии со словом «родопсин»: opsin — светочувствительный белок, rod — палочка, cone — колбочка. Родопсин и многочисленные опсины колбочек все принадлежат к классу опсинов — сложных белков, связанных с ретиналем. В молекуле ретиналя несколько двойных связей, важнее всего из них связь между 11 и 12 атомами углерода. Различные функциональные группы могут располагаться по ту или иную сторону от нее (цис-транс-изомерия). Положение функциональных групп при определенных условиях способно меняться, и одно из таких условий — поглощение ретиналем кванта света. Когда цис-изомер переходит в транс-изомер (как правило, такой переход обратим), меняется и расположение атомов (конформация) белковой части пигмента. Это вызывает в клетке химический сигнал, способный в итоге стать электрическим и через синапсы передаться другим компонентам сетчатки. Фотопсины гораздо менее чувствительны, чем родопсины, им для изменения конформации требуется на порядки больше квантов света. Поэтому колбочки нормально работают только при хорошем освещении, а в сумерках и тем более в темноте они бесполезны.

Вода хорошо поглощает свет, и с ростом глубины освещенность стремительно падает. При погружении на 550 метров и больше колбочки фактически не нужны, и ряд рыб, постоянно обитающих на такой глубине, их теряет. Порой вместе с этим исчезают и гены, кодирующие опсины колбочек. Но кроме таких потерь должны быть и адаптации к низкой освещенности. На уровне органов и клеток они таковы. Место колбочек занимают «дополнительные» палочки. По сравнению с палочками позвоночных из более освещенных мест, эти фоторецепторы гораздо длиннее и могут располагаться на сетчатке в несколько слоев. Диаметр зрачка увеличивается по сравнению со зрачком рыб, живущих не столь глубоко. Кроме этого, у многих глубоководных рыб имеется тапетум — светоотражающий слой за сетчаткой. Он есть и у кошек, отраженный от него свет мы видим, когда кошачьи глаза «светятся» в темноте. Поскольку, как уже было сказано, палочки и колбочки расположены в глазу дальше всего от источника света, тапетум позволяет вернуть этим рецепторам часть проскочивших мимо них фотонов.

Конечно, есть адаптации к низкой освещенности и на молекулярном уровне. Известно, что у ряда глубоководных рыб произошли точечные мутации в гене родопсина RH1. Закрепились в основном те из них, которые повышают чувствительность пигмента к синему и зеленому: свет с соответствующими длинами волн лучше всего проходит сквозь толщу воды. Многообразие вариантов генов родопсинов и фотопсинов проанализировано в статье большой международной группы ученых, вышедшей в журнале Science некоторое время назад. Они использовали данные о геномах ста видов костистых рыб и одного вида, не относящегося к этой систематической группе (пятнистой панцирной щуки Lepisosteus oculatus). Также ученые проверили, какие из этих генов работают (экспрессируются), собрав транскриптомы сетчаток 36 видов рыб. В этот анализ вошли только те из них, у которых чтение генома подтвердило наличие множества генов опсинов палочек и колбочек.

Ученых интересовали варианты генов RH1, RH2, LWS, SWS1 и SWS2. Первый из этих генов, как уже говорилось выше, кодирует родопсин палочек. RH2, хотя названием похож на предыдущий ген, кодирует белок, встречающийся в колбочках и лучше всего поглощающий зеленый цвет, а RH1 произошел от него в результате дупликации. В свою очередь, RH2, SWS2 и SWS1 таким же образом появились из гена LWS. WS в их названиях означает «wave sensitive» (чувствительный к волнам), S у SWS — «short» (короткий), L у LWS — «long» (длинный). Опсин, кодируемый LWS, настроен на прием зеленого, желтого и красного цвета (то есть света с наиболее длинными волнами), SWS1 — на фиолетовый и ультрафиолетовый, SWS2 — на фиолетовый и синий. Логично предположить, что ген воспринимающего длинноволновое излучение опсина у глубоководных рыб может утрачиваться за ненадобностью. Оказалось, что во многих случаях так и происходит (рис. 3). При этом RH1 неоднократно дуплицируется, в разных его копиях происходят точечные замены, и получается, что родопсинов палочек у некоторых видов рыб очень много, а вовсе не один. Пальму первенства здесь держат диретмовые (Diretmidae), а конкретно — вид Diretmus argenteus. У этой глубоководной рыбы с обширным ареалом 38 разных RH1. Хотя экспрессируются не все 38, а только 14 из них (это у взрослых особей, а у мальков — 7, но они обитают на меньшей глубине), это тоже внушительное количество. Палочкохвостовые (Stylephoridae) имеют 6 разновидностей RH1 (но экспрессируются 5), а миктофовые (Myctophidae) — 5 (экспрессируется 3).

Рис. 3. Многообразие генов опсинов палочек и колбочек у костистых рыб. Черным выделены силуэты рыб с наибольшим количеством генов опсинов палочек, по часовой стрелке: миктофовые (Myctophidae), палочкохвостовые (Stylephoridae), диретмовые (Diretmidae). Черные черточки — варианты гена RH1, красные — варианты гена LWS, зеленые — RH2, синие — SWS2, фиолетовые — SWS1. Многоточия обозначают неполные или противоречивые данные. В центре показаны филогенетические отношения рыб, чьи геномы анализировали (время расхождения ветвей указано в миллионах лет). Насыщенность серого в этой схеме соответствует глубине, на которой обитает тот или иной вид. Расшифровки названий видов можно найти в дополнительных материалах к статье. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Осталось определить, что именно дает такое количество разных опсинов палочек глубоководным рыбам, в частности диретмам. У видов, не приходящихся друг другу близкими родственниками, точечные замены нуклеотидов в гене RH1 очень близки — а значит, они не случайны и служат сходным целям. Чтобы очертить возможный круг таких целей, авторы статьи восстановили in vitro структуру родопсинов Diretmus argenteus по последовательностям вариантов RH1 этой рыбы. По полученным моделям они сделали предположения о том, какие длины волн каждый из родопсинов поглощает максимально эффективно. Оказалось, что у диретмы опсины палочек спектрами поглощения суммарно перекрывают весь диапазон видимого излучения (рис. 4). В этом множестве молекул обнаружились родопсины, чей спектр поглощения больше всего сдвинут в сторону синего из всех изученных зрительных пигментов этого типа.

Рис. 4. Предполагаемые спектры поглощения 37 из 38 опсинов палочек диретмы Diretmus argenteus. По горизонтальной оси — длина волн в нм, по вертикальной оси — относительные показатели поглощения пигментов. Видно, что 38 возможных вариаций белков совместно могут поглотить любое излучение из видимого диапазона, но максимумы поглощения сдвинуты в область длин волн биолюминесцентного излучения (bioluminescence) и того света, что лучше всего проходит сквозь толщу воды (ambient light). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Отсюда следует несколько предположений. Вероятно, такое многообразие родопсинов позволяет диретме различать цвета, но не колбочками, как большинство, а в основном палочками. Это было бы удобно, учитывая, что палочки для работы требуют гораздо меньшей освещенности. Также может быть, что расширенный репертуар опсинов палочек дает возможность лучше улавливать биолюминесцентные сигналы — а их посылают все, у кого обнаружили аномально много версий КР1. Биолюминесценция может быть и синей, и зеленой, и даже желтой, и тут необычные родопсины придутся как раз кстати. Впрочем, необязательно различать цвета биолюминесцентных сигналов, уже полезно было бы знать, что они исходят от разных источников. И действительно: многие адаптации строения глаза у глубоководных рыб направлены на то, чтобы максимально эффективно улавливать свет от конкретного источника. Сетчатка диретмы не исключение: в ней множество очень длинных палочек, а внутрь глаза от них в несколько слоев размещаются палочки обычной длины (колбочек при этом очень мало).

Во многих комментариях к научной статье, в том числе в популярном синопсисе в Science, минимум одна из этих гипотез подается как утверждение. В то же время сами авторы при обсуждении результатов отмечают, что в отсутствие поведенческих экспериментов на диретмах можно говорить разве что о теоретических предсказаниях по моделям зрительных систем. Нужно проверить, действительно ли эти рыбы различают цвета, и если да, то какие в каких условиях. Кроме того, надо понять, как палочки передают сигналы другим клеткам сетчатки, по каким принципам они объединяются в группы, обеспечивают ли эти группы различение цветов, как это происходит в группах колбочек, и так далее. То есть понадобятся и гистологические изыскания, и электрофизиологические эксперименты. Кроме того, может оказаться, что на разных этапах развития диретмы пользуются разными родопсинами (очень вероятно, что и разными типами палочек), и нужно это для максимальной четкости или контраста изображения. Получается, что в опытах нужно задействовать как зрелых рыб, так и мальков разных возрастов.

Источник: Zuzana Musilova et al. Vision using multiple distinct rod opsins in deep-sea fishes // Science. 2019. V. 364. I. 6440. P. 588–592. DOI: 10.1126/science.aav4632.

Светлана Ястребова

Источник elementy.ru

Читайте также: Новости шоу бизнеса.