Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2017 ã., ò. 53, ¹3
ОБЗОРЫ
РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ В ЭВОЛЮЦИИ ПРОЦЕССОВ ЭКЗОТРОФИИ
У ПОЗВОНОЧНЫХ (НА ПРИМЕРЕ РЫБ И МЛЕКОПИТАЮЩИХ)
© Â. Â. Кузьмина
Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН, п. Борок Ярославской обл., Россия
E-mail: vkuzmina@ibiw.yaroslavl.ru
В. В. КУЗЬМИНА
РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ В ЭВОЛЮЦИИ ПРОЦЕССОВ...
Приведены данные о наличии у рыб и млекопитающих идентичных элементарных, или универсальных
функциональных блоков (ФБ) — молекул и надмолекулярных комплексов, обеспечивающих
процессы экзотрофии. Особое внимание уделено ФБ, участвующим в регуляции пищевого
поведения, пищеварения и транспорта нутриентов. При описании ФБ, реализующих симбионтное
пищеварение и индуцированный аутолиз, анализируются данные, касающиеся ферментов
бактерий и беспозвоночных. Предполагается, что структурное и функциональное сходство ФБ у
различных организмов, поддерживающее существование трофических сетей, базируется на необходимости
выполнять сходные функции, что привело к выработке сходных механизмов адаптаций
ФБ у организмов, далеко отстоящих друг от друга по филогенетической лестнице (бактерий, беспозвоночных,
рыб и млекопитающих).
Ключевые слова: эволюция, функциональные блоки, экзотрофия, рыбы, млекопитающие, бактерии,
беспозвоночные.
В 2016 году исполнилось 90 лет со дня рождения
А. М. Уголева — выдающегося ученого, открывшего
мембранное пищеварение, описавшего симбионтное
пищеварение и механизм индуцированного аутолиза, а
также предложившего теорию адекватного питания,
оказавших революционное влияние на развитие гастроэнтерологии
[1,2]. Вместе с тем вклад À. Ì. Уголева
в развитие теоретической гастроэнтерологии и биологии
не ограничился этими открытиями. Одним из важных
направлений его деятельности была разработка
концепции элементарных, или универсальных функциональных
блоков, позволившая представить эволюцию,
как результат рекомбинации и транспозиции различных
элементарных функциональных блоков, близких
или идентичных у организмов, стоящих на разных
уровнях эволюционной лестницы [1, 3]. Согласно этой
концепции, элементарные, или универсальные функциональные
блоки, представляют собой молекулы и
надмолекулярные комплексы, способные выполнять
элементарную функцию или функции. Принято выделять
следующие типы ФБ: 1) трансформационные —
ферменты, реализующие гидролитические функции,
2) транспортные — насосы, каналы, мобильные переносчики
и другие, 3) сократительные, 4) рецепторные,
5) энергизирующие, 6) сигнальные — гормоны, нейротрансмиттеры
и медиаторы, 7) комбинированные
блоки высшего порядка. Общебиологические и клинические
аспекты ФБ наиболее подробно исследованы на
примере ФБ, обеспечивающих процессы экзотрофии
[1, 4].
Как известно, экзотрофия—совокупность процессов,
обеспечивающих поиск, поглощение и начальные
этапы ассимиляции пищи и включающих три основных
этапа: питание, пищеварение и всасывание. Для
анализа роли ФБ в эволюции процессов экзотрофии
наиболее важно сопоставление характеристик трансформационных,
транспортных, рецепторных и сигнальных
ФБ у позвоночных, возникших в разные периоды эволюции
биосферы. Сопоставление механизмов усвоения
нутриентов и регуляции процессов экзотрофии свидетельствует
об их принципиальном сходстве у рыб,
предки которых появились в раннем Кембрии, и млекопитающих,
появившихся в Триасе, соответственно
530 и 230 млн лет тому íàçàä. При этом в процессах
пищеварения всех позвоночных участвуют ФБ бактерий,
возникших в Архее 3.8 млрд лет тому назад [5].
Начальным этапом процесса экзотрофии является
поиск пищи, реализуемый при участии сенсорных систем—зрения,
слуха, обоняния, вкуса, сейсмо-сенсорной
системы, общего химического чувства и электрорецепции.
Сопоставление структурно-функциональной
организации сенсорных систем, связанных с
обеспечением поиска и поглощения объектов питания
у рыб и млекопитающих (зрительный анализатор, обонятельная,
вкусовая и слуховая системы), свидетельствует
о значительной близости структурной организации
и функциональных характеристик ФБ на фоне целого
ряда анатомических различий. Однако для рыб
характерна меньшая специализация и более широкая
локализация некоторых ФБ по сравнению с млекопи
Стр.1
154
В. В. КУЗЬМИНА
тающими, а также наличие ФБ, обеспечивающих электрорецепцию,
наружную вкусовую чувствительность
и общее химическое чувство, утраченных в процессе
эволюции [6].
ФБ, участвующие в регуляции
пищевого поведения
Потребление пищи у всех позвоночных включает
ряд сложных поведенческих актов, контролирующихся
различными системами мозга. Несмотря на существование
значительных различий в структурной организации
эндокринной, центральной и периферической нервной
системы у рыб и млекопитающих, у тех и других
присутствуют ФБ — сигнальные молекулы и рецепторы,
участвующие в анализе информации, поступающей
из внешней и внутренней среды, интеграция которых
осуществляется при участии гипоталамо-гипофизарной
портальной системы. У всех позвоночных питание
регулируется стимулирующими (орексигенными) или
ингибирующими (анорексигенными) эндокринными
факторами, которые действуют на пищевые центры головного
мозга при участии центральной и периферической
нервной системы, а также периферических органов,
таких как желудочно-кишечный тракт, поджелудочная
железа, печень и жировая ткань [6—8]. Нейросекреторные
клетки гипоталамуса синтезируют пептиды, способные
стимулировать (либерины, или рилизинг-гормоны)
или ингибировать (статины) синтез гормонов
аденогипофиза. Кроме того, в гипоталамусе вырабатываются
эндорфины и энкефалины, способные модифицировать
нейро-гормональные эффекты [7, 9].
Важно отметить, что в регуляции пищевого поведения
рыб участвует большинство выявленных у млекопитающих
нейротрансмиттеров и нейропептидов [6, 8,
10, 11]. В многочисленных работах получены как прямые
доказательства наличия у рыб тех или иных ФБ,
так и косвенные доказательства их влияния на пищевое
поведение рыб.
Нейротрансмиттеры и нейропептиды, стимулирующие
питание. Одним из наиболее сильных аппетит-стимулирующих
нейропептидов является нейропептид
Y, который синтезируется во многих отделах
мозга, но в особенно больших количествах—в аркуатном
ядре гипоталамуса млекопитающих. Введение экзогенного
нейропептида Y, как правило, стойко стимулирует
питание у позвоночных и снижает термогенез,
а пищевая депривация вызывает увеличение экспрессии
мРНК нейропептида Y в гипоталамусе [9]. Нейропептид
Y обнаружен в нейроэндокринных центрах
мозга и центрах питания у разных видов костистых
рыб [12—14]. При исследовании карася Ñarassius auratus
[15] и атлантической трески Gadus morhua [16] в переднем
мозге установлен высокий уровень мРНК нейропептида
Y, варьирующий в зависимости от приема
ïèùè. При голодании у чавычи Oncorhynchus tshawytscha
и серебряного карася обнаружено увеличение экспрессии
мРНК нейропептида Y в гипоталамусе [12].
ОрексиныАиВ увеличивают не только потребление
пищи, но и скорость локомоторных реакций млекопитающих
[17]. При этом орексины не только идентифицированы
у нескольких видов рыб, в том числе
пещерной рыбы Astyanax fasciatus mexicanus [18], но и
доказано увеличение под их воздействием потребления
пищи [8, 19]. Интрацеребровентрикулярное введение
орексинов А и B вызывает значительное увеличение
аппетита у ðûá. На примере данио Danio rerio установлено,
что долговременная пищевая депривация
провоцирует значительное увеличение в мозге уровня
mRNAпреорексинов [20]. Эти факты свидетельствуют
как об участии орексинов в регуляции пищевого поведения
и потребления пищи, так и о наличии соответствующих
рецепторов.
Подобно орексигенному фактору у рыб, как и у
млекопитающих, действует апелин. При этом у карася
и периферические, и центральные инъекции апелина
вызывают увеличение потребления пищи, а также увеличение
уровня мРНК апелина в гипоталамусе и переднем
мозге, причем в большем количестве у голодных
ðûá, чем у сытых [19, 21]. Также есть сведения о
том, что у серебряного карася центрально введенный
b-эндорфин стимулирует потребление пищи [22], a
m-îïèîèäíûå рецепторы линя Tinca tinca включены в
индуцированное b-эндорфином питание рыб [23].
Нейротрансмиттеры и нейропептиды, ингибирующие
питание. Ингибируют потребление пищи такие
ÔÁ, как холецистокинин (ÕÖÊ), серотонин (5-HT),
бомбезин и бомбезиноподобные олигопептиды, дофамин,
кортиколиберин, тиролиберин, соматостатин, нейротензин,
вазоактивный кишечный пептид, вазопрессин,
окситоцин, ангиотензин, субстанция Р, гистамин, a-меланоцитстимулирующий
гормон, пептид YY, тиреотропный
гормон, глюкагоноподобный пептид-1, глюкагон,
адреномедуллин, анорексин, тиреотропин-рилизинг
гормон и èíòåðëåéêèí-1 [11, 24]. Также доказано
анорексигенное действие кокаин- и амфетамин-регулируемого
транскрипта (CART) — пептида, первоначально
выделенного из головного мозга крыс [25].
ВЦНСмлекопитающих среди регуляторных пептидов
наиболее обильно представлен ХЦК [26]. Наибольшая
концентрация ХЦК и его рецепторов отмечена
в коре головного мозга, обонятельной луковице, хвостатом
ядре, гиппокампе, гипоталамусе, мозжечке и спинном
мозге [26, 27]. Высокая концентрация ÕÖÊ-8 выявлена
в гипоталамусе [28]. Также в мозге обнаружены
рецепторы ХЦК [29]. При изучении разных видов млекопитающих
установлено значительное торможение
потребления пищи вскоре после введения ХЦК [7].
У разных видов рыб бомбезин, ХЦК, 5-HT и кортиколиберин
также уменьшают потребление пищи
[30—35]. Наиболее подробно исследован ХЦК, локализованный
в области мозга, представляющий у рыб
пищевой центр, а также в области, включенной в нейроэндокринную
регуляцию функций гипофиза [19, 30,
35, 36]. Показано, что центральная инъекция холецистокинина
вызывают не только насыщение, но и изменение
уровня гормона роста в сыворотке крови серебряного
карася, сходное с возникающим при нормальном
приеме пищи [35]. Активная экспрессия гена ХЦК
обнаружена в разных областях мозга серебряного карася,
в том числе в обонятельных луковицах, переднем
Стр.2
РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ В ЭВОЛЮЦИИ ПРОЦЕССОВ...
мозге и преоптической области, гипоталамусе, оптическом
тектуме-таламусе и задних регионах мозга. Наиболее
высокий уровень отмечен в гипоталамусе [36].
При исследовании желтохвоста Seriola quinqueradiata
чрезвычайно высокие уровни мРНК ХЦК были выявлены
в головном мозге. При этом уровень мРНК пептида
Y, напротив, был низким. После голодания уровень
мРНК ХЦК снижается, пептида Y — увеличивается
(Murashita et al., 2006). У атлантического лосося
Salmo salar были получены полноразмерные кДНК, кодирующие
две изоформы ХЦК. Оба типа ХЦК активно
экспрессируются в головном мозге.
Значительно снижает потребление рыбами пищи
интрацеребровентрикулярное введение 5-HT [33]. При
этом голодание в течение трех недель значительно
уменьшает количество 5-HT в различных областях
мозга, особенно в гипоталамусе и теленцефалоне радужной
форели Oncorhynchus mykiss. Уровень метаболитов
5-HT, а также метаболитов дофамина при этом
не изменяется [37]. Центральная стимуляция D1-и
D2-дофаминергических рецепторов угнетает потребление
пищи у серебряного карася [38]. Этот же эффект на
потребление пищи у рыб оказывает кортиколиберин
[32]. При этом голодание вызывает уменьшение в гипоталамусе
серебряного карася уровня норадреналина
и дофамина, а также увеличение уровня метаболитов
норадреналина. Кроме того, есть сведения, что лептин
[39], будучи периферическим регулятором питания,
подобно гормонам млекопитающих [40], способен значительно
снижать потребление пищи.
Недавно доказано, что в регуляцию потребления
пищи позвоночных включены два фермента — тирозингидроксилаза
и mTOR. Тирозингидроксилаза —
фермент, катализирующий превращение L-тирозина
в L DOPA (L-дигидроксифенилаланин) и лимитирующий
скорость синтеза катехоламина, вызывающая
у мышей гипофагию [41]. mTOR—ñåðèí-òðåîíèíîâàÿ
протеинкиназа, являющаяся составной частью
PI3K/AKT/mTOR внутриклеточного сигнального
пути, который регулирует питание клеток и их энергетический
статус. При исследовании грызунов показано,
что активность mTOR в нейронах аркуатного ядра
уменьшается у голодных особей и увеличивается после
их кормления [42]. Есть сведения об увеличении
экспрессии мРНК тирозингидроксилазы у голодающей
пещерной рыбы Astyanax fasciatus mexicanus [18],
а также о влиянии экспрессии тирозингидроксилазы и
mTOR на эффекты ХЦК, арелина, орексина и грелина
у рыб этого вида [19]). Также получены доказательства
участия в качестве анорексигенного фактора у рыб, в
том числе êàðàñÿ, данио-рерио и канального сомика Ictalurus
punctatus CART — êîêàèí- и амфетамин-регулируемого
транскрипта [îáçîð: 6].
ФБ, участвующие в реализации пищеварения
и транспорта нутриентов
У всех позвоночных близки закономерности пищеварения,
включающие 5 типов—полостное, мембранное,
внутриклеточное и симбионтное пищеварение, а
155
также индуцированный аутолиз [1]. Вместе с тем до
последнего времени сведения о гидролазах — ФБ,
обеспечивающих деструкцию органических веществ,
рассматривались лишь на уровне консументов. Важно
отметить, что полостное и мембранное пищеварение у
рыб и млекопитающих реализуют близкие по структуре
и субстратной специфичности ферменты, синтезируемые
слизистой оболочкой пищеварительного тракта
и поджелудочной железой. В желудке белки гидролизуются
аспартатными эндопептидазами, такими как
пепсины А (ÊÔ 3.4.23.1) и B (ÊÔ 3.4.23.2), а также гастриксин
(ÊÔ 3.4.23.3), в кишечнике — сериновыми
эндопептидазами, такими как трипсин (ÊÔ 3.4.21.4),
химотрипсин (ÊÔ 3.4.21.1), а также пептидазами
(ÊÔ 3.4.11—17). Гидролиз углеводов осуществляют
a-àìèëàçà (ÊÔ 3.2.1.1), g-àìèëàçà (ÊÔ 3.2.1.3), мальтаза
(ÊÔ 3.2.1.20), изомальтаза (ÊÔ 3.2.1.10) и сахараза
(КФ 3.2.1.48). Начальные этапы гидролиза липидов реализует
липаза (ÊÔ 3.1.1.3), заключительные — эстеразы
(ÊÔ 3.1.1.1), эфиры фосфорной кислоты — щелочная
фосфатаза (КФ 3.1.3.1). Для некоторых специализированных
видов позвоночных характерно наличие
хитиназы (КФ 3.2.1.14). Внутриклеточное пищеварение
осуществляется при участии идентичных ферментов
цитозоля (ÊÔ 3.4.11—17) и лизосом (ÊÔ 3.4.18—23),
в которых разрушаются все типы химических связей
[6, 43—45].
Анализ обширной литературы свидетельствует о
том, что видовые различия в уровне активности одноименных
гидролаз и их характеристик у рыб и у млекопитающих
обусловлены как разным количеством
идентичных ФБ, так и адаптивным изменением
свойств одних и тех же ФБ. Хорошо документированы
нутритивные адаптации протеиназ и гликозидаз к составу
пищи: у плотоядных животных выше активность
протеиназ, у растительноядных—гликозидаз. Наиболее
яркие примеры адаптаций к температурным условиям
функционирования получены при сопоставлении
характеристик ФБ рыб, питающихся в разном диапазоне
температур. Так, температурный оптимум a-амилазы
у бореальных рыб, питающихся на протяжении всего
годового цикла, находится при 30 °С, у рыб, не питающихся
в зимний ïåðèîä, — 40 °Ñ. При этом
относительная активность в зоне низких температур у
первых колеблется в пределах 70—80 %, у вторых —
не превышает 15 % максимальной активности. Близкие
значения относительной активности в зоне низких
температур выявлены и при исследовании протеиназ.
Также значительно различаются величины энергии активации
(Еакт) процесса гидролиза белков и углеводов
у тех и других. У рыб, питающихся при низкой температуре,
значения Еакт не превышают 2—3 ккал/моль, у
рыб, неспособных питаться в зимний период, величины
Åàêò, как ïðàâèëî, выше в 5 раз [44].
Если ФБ, синтезируемые пищеварительной системой
позвоночных, появлялись в период от Кембрия до
Триаса, то ФБ, осуществляющие индуцированный
аутолиз и симбионтное пищеварение, возникли значительно
раньше. Это связано с тем, что присутствующие
в различных тканях потенциальных жертв лизосомальные
гидролазы, особенно у беспозвоночных, и
Стр.3