Вампировые летучие мыши и змеи воспринимают инфракрасное излучение по-разному

У вампировых летучих мышей инфракрасные рецепторы расположены в листовых ямках вокруг носа. Изображение из статьи M. Brock Fenton. Heat-thirsty bats // Nature 2011. V. 476. P. 40–41

Вампировые летучие мыши, наравне с удавами, питонами и гремучими змеями, — единственные известные позвоночные, способные воспринимать инфракрасное излучение. Именно эта способность помогает им эффективно находить теплокровную добычу. У всех этих животных инфракрасное излучение воспринимается термочувствительными ямками на голове, которые иннервируются волокнами тройничного нерва. Ученые из США и Венесуэлы исследовали молекулярные механизмы работы инфракрасных рецепторов. Они показали, что летучие мыши и змеи используют в качестве инфракрасного детектора совершенно разные типы ионных каналов. Летучие мыши используют каналы, которые у других животных также чувствительны к повышению температуры. Однако у летучих мышей порог активации этих каналов снижен почти до 30°C за счет альтернативного сплайсинга.

Способность ощущать тепло или холод жизненно необходима, так как эта способность позволяет организму определять критичные для него температуры, а следовательно, избегать их. Однако терморецепция может служить и для других целей. Елена Грачева и Хулио Кордеро-Моралес, работающие в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, совместно с коллегами из университетов США и Венесуэлы, показали, каким образом модификация рецепторов тройничного нерва позволяет вампировым летучим мышам воспринимать инфракрасное излучение.

Среди позвоночных животных известно не очень много организмов, способных воспринимать инфракрасное излучение. Кроме летучих мышей еще только змеи (питоны, удавы и гремучие змеи) обладают этим чувством. В прошлом году был исследован механизм восприятия инфракрасного излучения у змей (см. Gracheva et al. Molecular basis of infrared detection by snakes // Nature. 2010. V. 464. P. 1006–1011). У змей, как и у летучих мышей, окончания волокон тройничного нерва подходят к ямковым органам, расположенным между глазами и ноздрями. Нервные окончания в ямковых органах змей богаты ионными каналами определенного типа, а именно TRPA1. У других животных этот тип рецепторов активируется определенным набором химических веществ, в частности горчицей, хреном, васаби, формалином и никотином. Змеи модифицировали этот тип рецепторов таким образом, что он активируется при повышении температуры, начиная с 30ºС.

Как оказалось, вампировые мыши воспринимают инфракрасное излучение с помощью другого типа ионных каналов, TRPV1. У нас с вами, равно как и у других млекопитающих, этот тип каналов также активируется высокими температурами, но такими, которые могут быть опасны для здоровья организма (>43°C). Кроме того, он также начинает работать при воздействии некоторых химических веществ, например капсаицина — одного из компонентов перца чили. Поэтому он даже иногда называется «капсаициновый рецептор». У вампировых мышей порог активации TRPV1 снижен до 30ºC благодаря альтернативному сплайсингу генных транскриптов, в результате чего образуется более короткая изоформа рецептора.

Каким же образом биологи исследовали этот феномен? Вначале они сравнили гистологию тройничного ганглия, куда приходят афферентные волокна от ямковых органов вампиров (на примере Desmodus rotundus) и от тех же областей вокруг носа у фруктоядных мышей (на примере Carollia brevicauda). Распределение нейронов разного размера у фруктоядных мышей оказалось типичным для млекопитающих, но иным у вампиров (рис. 1). У последних в тройничном ганглии (ТГ) доминировали крупные нейроны, тогда как у фруктоядных — мелкие. Напротив, когда сравнили состав другого сенсорного ганглия той же системы — дорсального корневого ганглия (ДКГ), — у фруктоядных мышей и вампиров размеры нейронов оказались сходны.

Рис. 1. Анатомия сенсорных ганглиев фруктоядных и вампировых мышей.
(а) Анатомия лицевой части фруктоядной мыши (слева) и вампира (справа). Стрелочки показывают ямковые органы, окружающие нос. (b) Размеры нервных клеток на гистологических срезах тройничного ганглия (TG) и дорсального корневого ганглия (DRG): в TG вампировых мышей преобладают крупные нейроны. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Далее авторы задались вопросом, имеются ли различия в экспрессии генов в сенсорных ганглиях у фруктоядных мышей и вампиров. Секвенирование комплементарных ДНК из обоих сенсорных ганглиев (ТГ и ДКГ) выявило новую короткую изоформу капсаицинового рецептора, в которой отсутствуют 62 аминокислоты (рис. 2). Эта изоформа экспрессируется в большом количестве в ТГ вампиров, она составляет там 35–46% всех транскриптов TRPV1. В то же время, она составляет всего 3% всех транскриптов в ДКГ тех же вампиров. У фруктоядных мышей эта изоформа экспрессируется в следовых количествах в ТГ и отсутствует в ДКГ (рис. 2).

Рис. 2. (a) Аминокислотная последовательность для короткой (TRPV1-S) и длинной (TRPV1-L) изоформ из сенсорных ганглиев вампиров. (b) Количество транскриптов изоформ TRPV1 в сенсорных ганглиях вампировых и фруктоядных мышей: в тройничном ганглии (TG) вампиров короткая изоформа составляет почти половину от всех танскриптов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Если короткая изоформа TRPV1 участвует в восприятии инфракрасного излучения у вампиров, то она должна иметь соответствующую температурную чувствительность. Авторы экспрессировали короткую и длинную изоформы в эмбриональных клетках почек (HEK293) и исследовали эти изоформы с помощью метода calcium imaging (метод, при котором молекулы меняют свои спектральные свойства по мере связывания с ионами кальция в ткани). Действительно, короткая изоформа TRPV1 активировалась при более низкой температуре (30,5°C), чем длинная изоформа (39,6°C); см. рис. 3.

Рис. 3. Экспрессия изоформ TRPV1 в клетках почек HEK293 с использованием метода calcium imaging в зависимости от нагревания, а также в ответ на аппликацию капсаицина (10 µМ). Цветная полоска внизу обозначает относительные изменения флуоресценции; фиолетовый и белый цвет являются индикаторами соответственно минимального и максимального цитоплазматического кальция. Справа на графике показан усредненный ответ на изменение температуры у двух изоформ. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Выравнивание последовательностей комплементарной ДНК короткой и длинной изоформ TRPV1 у вампиров показало наличие короткой вставки из 23 пар нуклеотидов, содержащей стоп-кодон. Секвенирование участков, фланкирующих эту инсерцию (вставку), выявило структуру локуса TRPV1 у вампиров. Экзон, состоящий из 23 пар нуклеотидов (14a), фланкируется двумя интронами, которые, в свою очередь, имеют донорные и акцепторные сайты, необходимые для альтернативного сплайсинга. Таким образом, возможно образование двух сплайс-вариантов, включающих экзон 14a (и в таком случае образуется короткая изоформа) или минующих экзон 14a (и тогда образуется длинная изоформа).

Авторы попытались выяснить, насколько уникально строение локуса капсаицинового рецептора у мышей вампиров. Для этого они провели анализ транскриптомов у других представителей надотряда Laurasiatheria: коров, свиней, собак и кротов, а также у нескольких видов летучих мышей, относящихся к подотрядам Micrоchiroptera и Megachiroptera. Оказалось, что два типа сплайсинга TRPV1 возможны в обоих подотрядах летучих мышей, а также у кротов: у них экзон 14a содержит преждевременный стоп-кодон, который может экспрессировать короткую изоформу (рис. 4). У коров, свиней и собак экзон 14a образует так называемую 'in-frame' инсерцию; в результате получается очень длинная изоформа. Таким образом, хотя разные представители надотряда лавразиотерий используют один и тот же регион для модификации капсаицинового рецептора, в разных случаях экзон 14a занимает разные позиции. Кроме того, архитектура сплайс-сайтов различается у Micrоchiroptera и у других представителей лавразиотерий (рис. 4а). Всё это свидетельствует о независимой эволюции, приводящей к модификации этого региона. Судя по рисунку, можно предположить, что кроты также могут продуцировать разные изоформы в зависимости от температуры. Однако авторы нашли <6% транскриптов TRPV1, соответствующих короткой изоформе, что говорит о том, что эта изоформа физиологически не обоснована у этих животных.

Рис. 4. Геномная организация локуса TRPV1 у млекопитающих. (а) Схема локуса TRPV1, включающего предполагаемые экзоны 14 и 15 в группах Laurasiatheria, Rodentia и Primate. Сплайсинг, очевидно, происходит между экзонами 14 (голубой) и 15 (черный), включая экзон 14a (красный). Пороги температурной активации той или иной изоформы показаны справа (n.d. — не обнаружено). На схеме также показаны длина интронных участков и относительное положение экзона 14a. (b) Консенсусное филогенетическое дерево, построенное на основании анализа TRPV1 по методу Байеса. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Примечательно, что результаты анализа организации гена TRPV1 в различных группах млекопитающих совпадают с филогенией, построенной на основании других молекулярных маркеров (рис. 4b). Таким образом, летучие мыши ближе к коровам, кротам и собакам, чем к грызунам. Ранее, когда за основу брали анатомические признаки, результат был совершенно иной — ближайшими соседями летучих мышей оказывались грызуны.

Источник: E. O. Gracheva, J. F. Cordero-Morales, J. A. González-Carcacía, N. T. Ingolia, C. Manno, C. I. Aranguren, J. S. Weissman, D. Julius. Ganglion-specific splicing of TRPV1 underlies infrared sensation in vampire bats // Nature. 2011. 476. 88–91.

См. также:
1) E. O. Gracheva, N. T. Ingolia, Y. M. Kelly, J. F. Cordero-Morales, G. Hollopeter, A. T. Chesler, E. E. Sánchez, J. C. Perez, J. S. Weissman, D. Julius. Molecular basis of infrared detection by snakes // Nature. 2010. 464. 1006–1011.
2) Инфракрасное зрение змей требует нелокальной обработки изображений, «Элементы», 12.08.2006.

Варвара Веденина