Science Advances опубликовала полные молекулярные взаимодействия, участвующие в этом пути, как подробно описано в исследовании, проведенном Сёдзо Ёкояма, биологом из Университета Эмори, который специализируется на адаптивной эволюции зрения.«Это самый причудливый и изощренный случай эволюции цветового зрения, с которым я когда-либо сталкивался», — говорит Ёкояма, ранее возглавлявший усилия по построению самого обширного эволюционного древа зрения, включающего 500 видов животных, от угрей до людей. .«У этой лягушки были эти причуды к быстрым молекулярным изменениям, но у нее также было что-то, что могло контролировать эти причуды», — говорит он. «Фактически, у него была тройная защита».Пять классов генов опсина кодируют зрительные пигменты для тусклого света и цветного зрения. Части и фрагменты генов опсина изменяются, и зрение адаптируется по мере изменения окружающей среды вида.
Ультрафиолетовое (УФ) зрение дает двухцветный высококонтрастный взгляд на мир, который может быть полезен для многих основных форм поведения. Например, мыши в основном ведут ночной образ жизни и отмечают свою территорию мочой и фекалиями, которые отражают ультрафиолетовый свет для других мышей.
Однако, к сожалению для мышей, многие из их хищников также чувствительны к ультрафиолету, поэтому они также могут легче обнаружить эти признаки мышей.Фиолетовое зрение или способность видеть синий свет обеспечивает лучшее разрешение и детализацию цветов в сцене. Среди возможных причин, по которым лягушки эволюционировали от чувствительности к ультрафиолетовому излучению, могло быть желание дать им лучший обзор потенциальных партнеров.
Это также могло улучшить их способность обнаруживать хищников, таких как зеленая змея среди зеленых листьев.В предыдущем исследовании африканской когтистой лягушки Йокояма и его сотрудники определили некоторые из генетических мутаций, участвующих в процессе перехода лягушки от ультрафиолетового зрения к ее нынешней функции фиолетового зрения. Они также заметили, что аминокислотный участок 113 на этом пигменте африканской когтистой лягушки изменился с глутаминовой кислоты на аспарагиновую кислоту.«Из всех изученных видов животного мира сайт 113 состоит из глутаминовой кислоты, но эта лягушка изменила сайт 113 на аспарагиновую кислоту», — говорит Ёкояма. «Почему он это сделал?
Этот вопрос был для меня очень загадочным и интересным. Что такого особенного в этой лягушке?»Йокояма изучает молекулы предков, чтобы раскрыть секреты адаптивной эволюции.
В этом длительном процессе участвуют группы сотрудников, которые сначала оценивают и синтезируют наследственные белки и пигменты вида, а затем проводят над ними эксперименты. Этот метод сочетает микробиологию с теоретическими вычислениями, биофизикой, квантовой химией и генной инженерией.
В данной статье он и его соавторы обнаружили, что в сдвиге зрения лягушки участвовали 12 мутаций. Эти 12 молекулярных изменений могут иметь 500 миллионов возможных комбинаций путей, которые связывают наследственное ультрафиолетовое зрение и фиолетовое зрение лягушки. Исследователи сузили проблему и сосредоточились на изменениях в шести слоях трансмембран, в которых расположены 12 молекул в процессе. Этот фокус сократил количество возможных эволюционных путей до 720.
Затем они собрали молекулярные «химеры» между пигментами предков и пигментами лягушки для всех этих путей. Они проверили, как молекулы функционируют во всех различных комбинациях, чтобы отточить правильный путь.
Результаты показали, что мутации, произошедшие на четвертой, пятой и шестой трансмембранах, произошли на ранних этапах эволюционного процесса. Однако эти мутации начали действовать только спустя эоны времени.
Мутации, происходящие на двух трансмембранных участках, вызывали небольшие сдвиги в диапазоне светового спектра, который обнаруживал пигмент. Однако мутации, произошедшие на ранней стадии эволюции на трансмембранном участке 3, где находится сайт 113, вызвали большой скачок в диапазоне световых волн — от 400 до 600 нанометров.
«Быстрые изменения не подходят с эволюционной точки зрения», — говорит Ёкояма. «Фактически, это может быть катастрофой».Он приводит пример выхода из затемненного кинотеатра в солнечный день и временного ослепления, пока ваши глаза не привыкнут к новой среде.Трижды молекулы на трансмембранных три мутировали, чтобы вызвать большой скачок в сторону чувствительности к фиолетовому.
Когда это произошло впервые, в игру вступила трансмембранная пятерка, уменьшившая молекулярную структуру пигмента и сделав ее нефункциональной.Во второй раз, когда трансмембранные три мутировали, совершив новый прыжок, трансмембранные шесть вступили в действие, снова уменьшив молекулярную структуру. В третий раз трансмембранная тройка попыталась совершить эволюционный скачок, номер четыре остановил ее, разрушив критическую химическую структуру пигмента.
Пигмент лягушки по существу притормозил на ранних этапах эволюционного процесса мутаций от глутаминовой кислоты до аспарагиновой кислоты в сайте 113. Только к концу процесса пигмент принял сдвиги сайта 113. К тому времени, объясняет Ёкояма, изменения в спектре света лягушки уже не были большим скачком.
Вместо этого они были всего 15 нанометров.«Человеческий процесс перехода от УФ к фиолетовому зрению был гораздо более простым и понятным», — говорит Ёкояма. «История этой лягушки полна загадочных поворотов и поворотов.
Серия странных совпадений произошла в нужное время, в нужном месте, для нужного вида».