Рыжеволосые люди и оранжевые птицы обладают «клеточной сверхспособностью»

Фото из открытых источников

Оранжевые перья и рыжие волосы долгое время считались рискованными эволюционными признаками, связанными с пигментами, которые могут повышать клеточный стресс и, у человека, увеличивать риск развития рака.

Новые исследования показывают, что при определенных условиях тот же оранжевый пигмент может, наоборот, помогать защищать клетки, справляясь со специфическими проблемами, вызванными неправильным питанием. Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS Nexus.

В ходе контролируемого исследования, проведенного в Испанском национальном исследовательском совете (CSIC), биологи изучили 65 зебровых амадин, чтобы проверить, может ли сама пигментация ограничить метаболические повреждения.

Под руководством Исмаэля Гальвана команда использовала это врожденное различие в цвете, чтобы решить давнюю эволюционную загадку: почему пигмент, связанный с долгосрочными издержками, так широко распространен.

В ходе исследования, путем одновременного воздействия на рацион питания и выработку пигментов, изучается, служит ли оранжевая окраска не просто сигналом, а клеточной стратегией для усвоения богатых серой питательных веществ.

Ученые называют этот оранжевый пигмент феомеланином — пигментом оранжевого или красного цвета, образованным с помощью серы, который окрашивает рыжие волосы и перья зябликов.

Однако тот же самый биологический фактор, который определяет цвет волос (рыжие волосы), связывают с повышенным риском развития меланомы — закономерность, которая десятилетиями ставила в тупик эволюционных биологов.

Если бы пигмент лишь добавлял опасности, естественный отбор обычно отдавал бы предпочтение генетическим вариантам, которые направляют клетки к более безопасному темному меланину.

Команда Гальвана проверила давно существующую идею о том, что производство феомеланина может также решить проблему с питанием.

Клетки используют цистеин, серосодержащую аминокислоту, применяемую для построения белков, но его избыток может нарушить хрупкий химический баланс.

При определенных условиях цистеин окисляется до цистина, после чего может развиться дисульфидптоз — форма клеточной смерти, вызванная дисульфидным стрессом.

Поскольку феомеланин образуется из цистеина, увеличение выработки пигмента может закрепить избыток цистеина в стабильной, безвредной форме.

Эта идея важна для пигментных клеток, где цистеин также питает глутатион, небольшую молекулу, которая помогает нейтрализовать реактивные химические вещества.

Чтобы проверить гипотезу о роли цистеина, группа Гальвана в течение того же периода добавляла пигменты в рацион некоторых птиц, а у других блокировала синтез пигмента. Каждой птице, подвергшейся обработке, в течение месяца давали пить воду, содержащую примерно цистеин. Некоторым самцам также вводили препарат, блокирующий синтез феомеланина за счет поддержания активности пигментного рецептора.

После лечения анализы крови выявили малоновый диальдегид, побочный продукт распада жиров в процессе окисления, как маркер системного повреждения.

У самцов блокирование феомеланина явно изменило результаты применения добавки цистеина в определённую сторону.

У самцов, получавших оба преперата, уровень малонового диальдегида в плазме был выше, чем у самцов, получавших только цистеин, если учитывать антиоксидантную способность.

В ходе анализа была проведена корректировка с учетом активности генов, контролирующих антиоксидантную защиту, в меланоцитах — клетках, вырабатывающих пигмент в коже и перьях, — перед сравнением групп лечения.

Эти результаты подтверждают простой механизм: для производства пигмента используется дополнительный цистеин, что приводит к уменьшению количества реакционноспособных побочных продуктов, способных нанести вред клеткам.

Самки представляли собой естественный контраст, поскольку они не откладывают оранжевый феомеланин в своих перьях.

Когда самки пили воду с добавлением цистеина, уровень малонового диальдегида имел тенденцию к повышению по сравнению с контрольной группой, получавшей обычную воду.

Блокирующий синтез феомеланина препарат не изменил показатели крови самок, что согласуется с их изначально недостаточным производством феомеланина. В отсутствие пигментного пути избыток цистеина у этих птиц воспринимался скорее как помеха, чем как полезное питательное вещество.

Образование феомеланина может снизить содержание свободного цистеина в клетках, поскольку для построения пигмента используется та же аминокислота.

Внутри меланосом — крошечных образований, где собирается пигмент, — меланоциты синтезируют феомеланин и перемещают его в растущие перья.

«Эти результаты показывают, что синтез феомеланина предотвращает повреждение клеток, выводя избыток цистеина в инертные кератиновые структуры, такие как перья», — сказал Гальван.

Однако загвоздка в том, что в других тканях этот путь метаболизма пигмента может отсутствовать, поэтому обработка цистеина может различаться в разных частях тела.

У людей тот же оранжевый пигмент наиболее известен по рыжим волосам и очень светлой коже. Исследование на мышах, проведенное в 2012 году, показало, что путь феомеланина может повышать риск развития меланомы без ультрафиолетового излучения.

Результаты исследований на зябликах позволяют предположить, что диета и метаболизм могут влиять на этот риск, изменяя количество цистеинового пигмента, которое клетки должны контролировать.

В рамках этой работы не проводились испытания на людях, поэтому пока невозможно определить, какие продукты повышают уровень цистеина в коже.

Если феомеланин помогает контролировать избыток цистеина, оранжевое оперение может сохраняться, поскольку он решает физиологические проблемы, выходящие за рамки сигнализации или стиля.

Естественный отбор может отдавать предпочтение генам, связанным с пигментацией, даже если это влечет за собой долгосрочные издержки, при условии, что они снижают повседневный клеточный стресс при определенном рационе питания или условиях окружающей среды.

Такой компромисс может помочь объяснить, почему оранжевые и красные цветовые узоры так часто встречаются у птиц, млекопитающих и рептилий.

Это также усложняет простые представления о влиянии пигментации на здоровье, предполагая, что биологические эффекты пигмента могут зависеть как от окружающей среды и питания, так и от генетики.

В совокупности, проведенный под руководством CSIC эксперимент с зябликами связывает оранжевую пигментацию и регуляцию цистеина с измеримыми маркерами повреждения клеток в крови.

Далее исследователи изучат, использует ли человеческая кожа аналогичный способ хранения пигмента. Команда также исследует, влияют ли изменения в диете или заболевания на уровень цистеина таким образом, что это меняет защитную роль пигмента.