Инсулиноподобный белок регулирует стресс-реакцию дрозофил

 

Согласно современным научным представлениям, ответ на неблагоприятные воздействия у насекомых и, вероятно, у всех живых организмов возникает на разных уровнях: клеточном, эндокринном и поведенческом. Стресс-реакция у млекопитающих была открыта в 1930-х годах канадским медиком Гансом Селье, который в первую очередь фокусировался на роли гормональных изменений, возникающих в организме при работе гипоталамуса, гипофиза и надпочечников. Считалось, что подобный отклик на стресс невозможен у насекомых, поскольку у них нет такой же системы желез внутренней секреции. Однако главный научный сотрудник ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» доктор биологических наук Инга Юрьевна Раушенбах в 1987 году обнаружила стресс-реакцию у дрозофил: выяснилось, что они так же, как и млекопитающие, способны к универсальному ответу на любые негативные обстоятельства. 

 

«Если провести аналогии между гормонами, участвующими в стресс-реакции у людей и у насекомых, то и у первых, и у вторых присутствуют биогенные амины (вещества, образующиеся в организме животных из аминокислот и обладающие высокой биологической активностью. — Прим. ред.) и стероидные гормоны. У нас это норадреналин и кортизол, но у насекомых их нет, и регуляцию гормонального ответа на стресс и стимуляцию метаболизма выполняют гормоны дофамин и октопамин, экдистероиды и ювенильные, влияющие на постадийное развитие насекомых: личинка — куколка — взрослая особь. Недавно ученые выяснили, что в этом сложном многокомпонентном отклике у насекомых участвуют и инсулиноподобные белки», — рассказывает заведующая лабораторией генетики стресса и отдела биологии насекомых ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» доктор биологических наук Наталия Евгеньевна Грунтенко.

 

Впервые ответ на стресс у насекомых Инга Раушенбах обнаружила у личинок дрозофил: при неблагоприятных условиях у них должен последовательно повышаться уровень двух гормонов — ювенильного и экдистерона, что помогает насекомым благополучно пережить негативную ситуацию и перелинять во взрослую особь. Исследовательница работала с выведенной линией мух, которые, как впоследствии обнаружилось, не могли линять при слишком высокой температуре (один из вариантов стрессирования) и в итоге погибали. Казалось бы, можно сделать вывод, что мутанты, у которых не развит отклик на стресс, — не выживают. Однако выяснилось, что механизм ответа не так прост. Более поздние исследования Наталии Грунтенко показали, что в природной популяции примерно половину составляют мухи с низкой плодовитостью и неспособные к гормональной реакции на сильный стресс (в результате него они просто умирают), зато при слабом и частом — хоть и медленно, но размножаются. При аналогичных воздействиях дрозофилы с нормальной стресс-реакцией и плодовитостью перестают откладывать яйца. 

 

Возможно, плодовые мушки с неразвитой реакцией на сильный стресс являются своеобразным популяционным резервом: при частых и слабых стрессах они продолжают размножаться на стабильном, хоть и низком уровне. В этом случае, несмотря на то, что общая численность популяции падает, генофонд сохраняется, а когда ситуация становится благоприятной вновь восстанавливается и количество особей. Cпособность к стресс-реакции — доминантный признак, и при скрещивании особей как обладающих им, так и без него, потомство получается способным к отклику на стресс и высоко плодовитым.

«Это наблюдение вместе с некоторыми другими подтолкнуло нас к тому, чтобы искать механизм, который включает стресс-реакцию. Первое предположение было следующим: старт ей дают белки теплового шока, запуская моментальный отклик на клеточном уровне, причем он универсален и для других неблагоприятных воздействий. Однако дальнейшие исследования показали, что есть особи с полностью разрушенной системой белков теплового шока, но при этом нормальной гормональной реакцией. Встречается также и ситуация с обратными мутациями. Сходство отклика на стресс у насекомых и млекопитающих позволяет предположить, что это эволюционно древние механизмы, подобные у всех живых организмов. Судя по всему, существуют три уровня ответа на стресс: клеточный, эндокринный и поведенческий. Причем если один из них ломается, это не значит, что разрушаются и остальные. Получается, есть предусмотренный природой запас прочности, дублирующие системы», — объясняет Наталия Грунтенко.

 

Исследователи продолжили поиск сигнального фактора, который бы в значительной степени управлял стресс-реакцией. Хорошим кандидатом на эту роль оказалась инсулиновая система. Она универсальна для животных разных таксонов, в том числе — дрозофил, и, как ни удивительно, человека, причем влияет не только на пищевое поведение и на усвоение пищи, но и реагирует на клеточные стрессы. 

 

 

 

Пробирки с питательным субстратом для дрозофил, обычно это манная каша. Для плодовых мушек ее готовят на специальной кухне  ФИЦ «ИЦиГ СО РАН» 

 

«Инсулиновая сигнальная система очень консервативна — то есть настолько похожа у насекомых и людей, что антитела к инсулиновым рецепторам человека распознают инсулиновые рецепторы дрозофилы и с ними взаимодействуют. У дрозофил инсулина как такового нет, но есть инсулиноподобные белки. Мы установили, что один из них (DILP6) влияет на синтез дофамина и ювенильного гормона. Данные, которые мы получили, позволяют предположить, что белок DILP6 запускает механизмы деградации ювенильного гормона и  увеличения активности метаболизма дофамина», — отмечает Наталия Грунтенко. 

 

Для того чтобы узнать, сколько и какого гормона синтезируется в определенных тканях, ученые применяют биохимический, микроскопический (с использованием меченых антител) и молекулярно-генетический (полимеразная цепная реакция в реальном времени) методы. Если используется первый, наиболее традиционный, то пул из 5—10 стрессированных насекомых растирают в ступе, центрифугируют. В получившемся гомогенате мягких тканей и гемолимфы измеряется активность ферментов, расщепляющих определенный гормон, что позволяет установить исходное количество наработанного дрозофилой гормона.

Инсулиновая сигнальная система участвует в регуляции действия всех гормонов отклика на стресс, но, даже если ее полностью выключить, стресс-реакция не исчезает, хоть и меняется.

 

«Универсального фактора, позволяющего полностью блокировать стресс-реакцию, не существует. Например, инсулиновый рецептор у мухи только один, кодируемый единственным геном. Есть мутанты, у которых снижена экспрессия этого гена (процесс преобразования генетической информации в функциональный продукт), и можно ее при помощи определенных методов выключить в конкретных тканях, но если блокировать экспрессию во всей мухе — она не выживет», — говорит Наталия Грунтенко.

 

В ближайшем будущем ученые планируют оценить отложенные эффекты стресса: передается ли он следующему поколению насекомых. Если выяснится, что это явление существует, исследователям предстоит узнать, как меняется восприимчивость потомков к определенным типам воздействия. Для этого планируется проанализировать данные, полученные в результате прочтения транскриптома (совокупность той генетической информации, которая начала реализовываться. — Прим. ред.) потомков дрозофил — как подвергавшихся воздействию стресс-факторов разной интенсивности, так и нет.

 

Результаты такой работы могут использоваться для создания методов направленного и строго дозированного (не больше, чем требуется для уничтожения вредителей) применения инсектицидов.

 

Надежда Дмитриева

 

Фото автора и из открытых источников (анонс)