Птицы, по-видимому, особенно любят красный цвет. Многие певчие птицы, например, используют красную окраску как визуальный сигнал для привлечения потенциальных партнёров и для отпугивания возможных соперников ещё до того, как конфликт перерастёт в физическое столкновение. У птиц, использующих красный цвет как сигнал, чем краснее — тем лучше, поскольку интенсивность окраски, по-видимому, связана со способностью птицы привлекать партнёров и пугать конкурентов. Хотя красные пигменты, вероятно, являются честным сигналом генетического качества конкретной птицы (ref), мы не можем быть уверены в этом до тех пор, пока не поймём молекулярные механизмы того, как именно птицы создают красные пигменты.
Недавно в одном из моих любимых журналов — Current Biology — были опубликованы два по-настоящему элегантных исследования, которые наконец расширили границы нашего понимания того, как птицы формируют красную окраску. Эти исследования — каждое опубликовано независимо двумя разными консорциумами, объединившими несколько исследовательских групп, изучавших различные виды певчих птиц, — указывают на один и тот же ген.
Первая исследовательская группа: сравнение геномов жёлтых и красных канареек
Первое исследование было проведено международным сотрудничеством трёх исследовательских групп под руководством эволюционного биолога Рикарду Лопеша из Университета Порту в Португалии; биохимика Джеймса Джонсона, аспиранта кафедры биологических наук Обернского университета; и интегративного биолога Мэттью Туми, постдокторанта Медицинской школы Вашингтонского университета (ref). Это исследование было посвящено источнику красной окраски так называемых «краснофакторных» канареек (графический абстракт 1). Эти канарейки являются результатом гибридизации, проведённой почти 100 лет назад, между домашними жёлтыми канарейками Serinus canaria и дикими красными чижами Spinus cucullata.
В ходе исследования учёные сравнили полные геномные последовательности жёлтых и красных канареек с геномами красных чижей, чтобы выявить расположение и идентичность генов, отвечающих за красную окраску канареек. Они обнаружили два специфических участка ДНК краснофакторных канареек — один на 8-й хромосоме и другой на 25-й хромосоме, — которые были идентичны ДНК красных чижей. Затем они использовали несколько методов для изучения паттернов экспрессии всех кандидатных генов, найденных в этих двух хромосомных регионах, в тканях печени и кожи.
Результаты напрямую указали на конкретный фермент семейства цитохрома P450 на 8-й хромосоме, известный как CYP2J19. Когда учёные изучили экспрессию этого гена в тканях кожи и печени жёлтых и краснофакторных канареек, они обнаружили, что у краснофакторных канареек его активность повышена в 1000 раз в обеих тканях. Это указывало на то, что именно этот ген может быть источником красных кетокаротиноидных пигментов.
«Мы обнаружили ген, который кодирует фермент, позволяющий птицам осуществлять это преобразование из жёлтого в красный», — сказал соавтор исследования Мигел Карнейру из Университета Порту в Португалии.
«Чтобы произвести красные перья, птицы преобразуют жёлтые пищевые пигменты, известные как каротиноиды, в красные пигменты, а затем откладывают их в перьях», — пояснил доктор Карнейру.
Может ли это быть тем самым загадочным «геном красноты», который позволяет краснофакторным канарейкам иметь красное оперение?
Вторая исследовательская группа: гены зебровых амадин
Второе исследование стало результатом сотрудничества двух других научных групп. Одну возглавлял эволюционный генетик Николас Манди, старший преподаватель кафедры зоологии Кембриджского университета, другую — эволюционный биолог Джессика Стэпли, независимый научный сотрудник кафедры наук о животных и растениях Университета Шеффилда. Эти группы совместно изучали гены домашних зебровых амадин Taeniopygia guttata (графический абстракт 2; ref).
Ирония заключается в том, что один из соавторов этого исследования зебровых амадин, Тимоти Бёркхед, профессор поведения и эволюции Университета Шеффилда, является автором популярной книги, в которой рассказывается увлекательная история создания краснофакторной канарейки в 1920-е годы парой немецких любителей-заводчиков канареек (2003).
Изучение и сравнение генов диких амадин с красными клювами и амадин с жёлтыми клювами напрямую указало исследователям на 8-ю хромосому, где располагается несколько генов кластера цитохрома P450 — CYP2J19A, CYP2J19B и CYP2J40. Более детальное изучение показало, что эти гены были сохранны в геноме диких зебровых амадин, но либо повреждены множественными мутациями, либо полностью отсутствовали у амадин с жёлтыми клювами.
Данные исследователей показали, что один из этих генов, CYP2J40, широко экспрессируется в различных тканях и не демонстрирует различий между дикими и жёлтоклювыми амадинами, поэтому учёные исключили его как источник красных кетокаротиноидных пигментов. Однако у диких амадин было обнаружено, что гены CYP2J19 экспрессируются в тканях, содержащих красные кетокаротиноидные пигменты, и почти не обнаруживаются в тех же тканях у жёлтоклювых амадин. Таким образом, исследовательские группы пришли к выводу, что CYP2J19 является источником красной пигментации клюва и ног у зебровых амадин.
«Ген красноты» и его роль в зрении птиц
«Сами по себе эти исследования являются прекрасными примерами поиска генетических основ признаков окраски», — сказал Майк Шапиро, доцент биологии Университета Юты, не участвовавший ни в одном из исследований.
«Но вместе они рассказывают ещё более мощную историю», — написал профессор Шапиро в электронном письме.
«Канарейки и амадины, по-видимому, пришли к сходным генетическим решениям преобразования жёлтых пигментов в красные в коже и её производных (чешуйках, клювах, перьях). Это поднимает возможность того, что существует ограниченное число генетических механизмов, доступных для контроля красных признаков», — отметил профессор Шапиро.
Поскольку большинство птиц обладают «геном красноты» CYP2J19, даже те, у которых нет красного оперения, это указывает на то, что данный ген выполняет более универсальную биологическую функцию, чем просто создание красных пигментов.
«Дневные птицы, по-видимому, используют этот ген для производства красных пигментов в сетчатке глаза с целью улучшения цветового зрения», — сказал один из соавторов исследования канареек, Джозеф Корбо, изучающий заболевания сетчатки в Медицинской школе Вашингтонского университета.
Сетчатка — это слой ткани внутри глаза, состоящий из светочувствительных нейронов, также называемых фоторецепторными клетками. Один тип фоторецепторов — палочки — обеспечивает зрение при слабом освещении, тогда как другие типы фоторецепторов — колбочки — отвечают за цветовое зрение. Однако, в отличие от колбочек млекопитающих, колбочки в глазах птиц содержат набор ярко окрашенных масляных капель, включая зелёные, жёлтые и красные, которые позволяют птицам видеть больше цветов, чем способны различать млекопитающие.
«Было довольно неожиданно, что одни и те же гены участвуют как в восприятии красных цветов, так и в создании красной окраски», — сказал доктор Манди.
Однако «ген красноты» экспрессируется не везде и не у всех птиц.
«Только птицы с красными перьями дополнительно экспрессируют этот ген в коже», — пояснил профессор Корбо.
Он продолжил: «Эти результаты показывают, что почти все птицы обладают скрытой способностью создавать красные перья, но для того, чтобы действительно реализовать её, им необходимо эволюционно приобрести механизм экспрессии этого гена в коже, помимо сетчатки».
Значение гена красноты для эволюции и здоровья
Помимо создания красных пигментов и усиления цветового зрения, «ген красноты» относится к обширному семейству ферментов цитохрома P450. Эти ферменты важны тем, что некоторые из них расщепляют различные токсичные соединения, главным образом в печени. Многие ферменты цитохрома P450 хорошо изучены у человека, поскольку они участвуют в метаболизме лекарств.
«В половом отборе считается, что красный цвет сигнализирует о качестве особи, и один из способов, которым он может это делать, заключается в том, что тип или количество пигментации связано с другими физиологическими процессами, такими как детоксикация», — сказал ещё один соавтор исследования канареек, Лейф Андерссон из Уппсальского университета в Швеции.
Теперь, когда известна идентичность «гена красноты», исследователи могут лучше понять эволюционное явление, известное как «честный сигнал», при котором определённый признак, например ярко-красные перья, действительно связан с более высококачественными генами.
«Учитывая повторяющееся появление красной окраски у птиц и частое участие красного цвета в признаках, отбираемых половым путём, этот вклад в механистическое понимание красной окраски является крупным достижением», — сказал эволюционный генетик Кристофер Балакришнан, доцент Университета Восточной Каролины, не принимавший участия в исследованиях.
«Однако, на мой взгляд, самым захватывающим аспектом является то, на что оба исследования указывают в конце. Эти работы предлагают механизм, с помощью которого механизмы окраски могут быть связаны с общим состоянием здоровья особи», — написал профессор Балакришнан в электронном письме.
«Тем самым эти исследования дают потенциально критически важное понимание классических гипотез “честного сигналинга” в половом отборе», — добавил он.
То, что «ген красноты» выполняет несколько различных функций, не является новым мотивом в эволюционной биологии.
«Это тема, которую сообщество эволюционных генетиков наблюдает снова и снова у самых разных организмов. Даже у разных видов с различной эволюционной историей одни и те же или сходные гены часто играют ключевую роль в формировании сходных признаков», — отметил профессор Шапиро.
Будущее, по-видимому, богато возможностями, которых я с нетерпением ожидаю. По словам профессора Манди, он и его коллеги в настоящее время работают над генетикой красной окраски у африканских вдовушек и епископов, демонстрирующих «поразительные различия между разными видами».
Профессор Корбо и его коллеги планируют исследовать красные перья у ещё большего числа видов птиц, чтобы выяснить, используют ли они одни и те же или разные механизмы для создания красных пигментов. Они также намерены продолжать использовать домашнюю канарейку в качестве модельного организма для выявления генетической основы других интересных признаков у птиц.