За исключением бактерий, насекомые представляют более половины мирового биоразнообразия и, таким образом, считаются наиболее успешной в эволюции группой наземных организмов в истории жизни. Заметный взрывной рост различных образов жизни насекомых связан с их способностью колонизировать самые разные ниши — от районов с исключительно жаркими и засушливыми условиями до других с температурами намного ниже нуля. Поскольку насекомые не могут регулировать температуру своего тела, успех этих организмов был связан с появлением ряда приспособлений для выживания перед лицом высыхания и замораживания, включая накопление высоких уровней спиртов, таких как глицерин или сорбитол. в определенных органах.
Однако до сих пор не было ясно, как насекомые переносят глицерин через клеточные мембраны. Это связано с тем, что более ранние исследования показали, что основные группы насекомых утратили мембранные каналы, известные как акваглицеропорины, которые обычно транспортируют глицерин. Такие каналы появились у бактерий и многоклеточных организмов и отличаются от отдельных водных каналов, известных как аквапорины, которые, как было обнаружено, сосуществуют с акваглицеропоринами почти во всех организмах, изученных на сегодняшний день.
В этом исследовании ученые обнаружили, что насекомые-голометаболаны, которые представляют собой наиболее эволюционно продвинутые группы насекомых с наибольшим биоразнообразием, имеют особые гены, называемые энтомоглицеропоринами (Eglps), которые представляют собой мутировавшие водные каналы с повышенной способностью к транспорту глицерина.Сравнивая филогенетические отношения между генами, ученые показывают, что Eglps тесно связаны с человеческим аквапорином-4, который является селективным для воды каналом. Чтобы понять, как гены эволюционировали у насекомых, ученые создали определенные мутанты, чтобы имитировать эволюционный процесс и показать, что одна мутация в одних и тех же центральных областях каналов человека и насекомых может преобразовать водоселективный канал в переносчик глицерина Eglp-типа. наоборот. Затем они тщательно реконструировали эволюционную историю Eglps и предковых акваглицеропоринов в многоклеточных организмах и показали, что Eglps специально заменил акваглицеропорины у голометаболических насекомых.
Основываясь на своих экспериментальных данных, авторы предполагают, что акваглицеропорины вытесняются каналами Eglp, вероятно, потому, что Eglps обладают повышенной способностью к транспортировке глицерина. Таким образом, исследование представляет собой пример естественного дарвиновского отбора на молекулярном уровне.
Интересно, что происхождение Eglps у базальных гексапод и последующая замена предковых акваглицеропоринов у голометаболанов совпали с эпизодами колебаний температуры, которые привели к периодам оледенения. Это предполагает, что появление насекомых Eglps могло способствовать беспрецедентной радиации насекомых во всех типах экосистем.
Это связано с тем, что уникальное нововведение насекомых-голометаболанов — это сидячая куколочная стадия жизненного цикла, на которой личинки полностью трансформируются в образец тела взрослой особи, такой как гусеница в бабочку. Стадия куколки, которая особенно уязвима к низким температурам, накапливает особенно высокие уровни глицерина и, таким образом, могла не возникнуть без появления Eglps.