Феномен зеленой маскирующей окраски насекомых интересовал исследователей на протяжении полутора веков, однако до сих пор точный молекулярный механизм, приводящий к такой окраске, оставался неизвестным. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН вместе с коллегами из МГУ имени М.В. Ломоносова и ИБХ РАН открыли и описали уникальный зеленый белок из покровов певчего кузнечика Tettigonia cantans, отвечающий за цвет насекомого. В статье, опубликованной в престижном журнале PNAS, исследователи определили трехмерное строение этого белка, получившего название DBXN. К удивлению биохимиков, близкими к DBXN оказались белки, которые помогают накапливать питательные вещества в яйцах яйцекладущих животных. Похожий механизм формирования окраски был обнаружен авторами статьи также у некоторых гусениц и пауков. Исследование проводилось при поддержке Минобрнауки России.
Певчий кузнечик Tettigonia cantans — крупный представитель семейства в средней полосе России. Многие из нас не раз слышали его громкое стрекотание в траве и кустах теплыми летними вечерами. Другой характерный признак этого насекомого — маскировочная окраска, благодаря которой его очень трудно заметить в зеленой листве. Химическая природа пигментов, которые отвечают за цвет кузнечиков, была определена еще в середине XX века, однако молекулярный механизм, обеспечивающий их накопление, известен не был. Найти ответ на этот вопрос смогли сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН.
Для этого они выделили водорастворимую фракцию из покровов кузнечика и очистили от примесей белок, обладающий изумрудным оттенком. При добавлении к белку органических растворителей окраска разделилась по фазам на желтую и синюю из-за двух разных пигментов. Желтым пигментом оказался ксантофилл лютеин, в то время как синий компонент имел билиновую природу. Исследователи дали ему название дибилиноксантинин (сокращенно — DBXN), где «ди» указывает на два красителя, а «билин» и «ксантин» — на их названия.
«С самого начала работы с каротиноид-связывающими белками появилась мечта открыть новый цветной белок. Опыт, полученный за время работы с ними в лаборатории, позволил сформулировать, где, что и какими методами стоит искать. Исходно мы не знали, в каком конкретно насекомом найдется новый белок, но после предварительных исследований выбор пал именно на кузнечиков. Непередаваемые ощущения — впервые держать в руках пробирку с цветным белком, который никто и никогда не исследовал до тебя», — поделился впечатлениями Никита Егоркин, младший научный сотрудник лаборатории белок-белковых взаимодействий ФИЦ Биотехнологии РАН.
Так как полный геном певчего кузнечика еще не прочитан, исследователям пришлось определить аминокислотную последовательность DBXN с нуля самим. Поиск по геномным базам данных продемонстрировал, что ближайшими родственниками DBXN являются вителлогенины — белки, выполняющие функции запасания жиров в яйцах у яйцекладущих животных. Исследователи пришли к выводу, что DBXN является сильно преобразованной формой вителлогенина, и показали, что зеленый белок образуется как у самок, так и самцов.
Чтобы понять, каким образом DBXN связывает сразу два пигмента, биохимики нашли условия кристаллизации белка и установили его пространственную структуру. Оказалось, что дибилиноксантинин состоит из двух одинаковых половинок, каждая из которых включает нескольких белковых фрагментов. Вместе они образуют своего рода «мешочек» с объемной внутренней полостью, внутри которой биохимики обнаружили две молекулы лютеина, две молекулы билина, а также четыре молекулы фосфатидилхолина. При уточнении структуры оказалось, что в состав DBXN входит совершенно необычное производное билина, которое никогда раньше не встречалось в структурах других белков. Структура оказалась уникальной и стала одной из первых известных структур для вителлогенинов.
Биологи исследовали несколько видов членистоногих с зеленой окраской и выяснили, что зеленый цвет у них формируется по-разному: у одних пигменты каротиноиды и билины связаны в единый белковый DBXN-подобный комплекс, а у других — находятся в отдельных белках. Среди проанализированных членистоногих в едином комплексе оба пигмента присутствовали у некоторых гусениц и пауков. Зеленый белок, выделенный из паука Micrommata virescens, был проанализирован методом масс-спектрометрии и также оказался родственником вителлогенинов. Это важная находка подтвердила гипотезу о том, что комбинация пигментов в одном зеленом белке независимо возникла в разных группах наземных членистоногих в ходе их эволюции.
«Уникальность структуры дибилиноксантинина заключается в том, что она отвечает сразу на несколько вопросов. Во-первых, теперь мы разгадали тайну зеленого цвета кузнечиков, над которой исследователи ломали голову более ста лет. Во-вторых, еще не встречалось, чтобы два пигмента, билин и каротиноид, находились рядом внутри одного компактного водорастворимого белка. И, в-третьих, сами того не зная, мы впервые определили структуру белка-вителлогенина, да еще и с высокой детализацией. Это открытие проливает свет на то, как в эволюции могут возникать удивительные новые формы белков с новыми, яркими функциями», — сообщает Николай Случанко, заведующий лаборатории белок-белковых взаимодействий ФИЦ Биотехнологии РАН.
