«Переключение» окраски попугая с красной на зеленую требует единственного фермента

Окраска животных играет важную роль в экологической адаптации и коммуникации. Оперение птиц, крайне разнообразное в своих ярких оттенках, сигнализирует о видовой принадлежности и состоянии здоровья, служит для привлечения партнеров и отражает социальную иерархию. Цвета оперения птиц подвержены естественному отбору, в том числе половому.

Среди птиц попугаи считаются одними из самых ярко окрашенных, и разнообразие их окрасок создается благодаря характерным пигментам —пситтакофульвинам. Это класс полиеновых пигментов, которые встречаются только у попугаев и придают их оперению огненно-красные и светло-желтые цвета. В сочетании с синей окраской, возникающей из-за рассеяния света наноструктурой пера, желтый цвет пситтакофульвина также приводит к появлению ярких зеленых оттенков. В отличие от каротиноидов, которые также участвуют в формировании красной и желтой окраски у многих других видов птиц и поступают в организм через пищу, пситтакофульвины синтезируются эндогенно. Ранее было показано, что для биосинтеза этих пигментов необходим фермент поликетидсинтаза.

Международная команда исследователей выяснила, как пситтакофульвины подвергаются биохимическим изменениям, создавая широкий спектр цветов у диких попугаев. Ученые выявили химические и генетические факторы, обуславливающие эти цветовые вариации. Для этого они изучили образцы красных, оранжевых, желтых и зеленых перьев представителей всех надсемейств попугаев (семь видов), охватывающих минимум 50–80 миллионов лет эволюции.

На первом этапе при помощи спектроскопического, хроматографического и масс-спектрометрического анализа перьев разных видов исследователи обнаружили общую химическую основу для различий в желто-красной окраске попугаев. Ключевую роль в изменении цвета играет окисление концевой группы пситтакофульвина. Красные перья содержат пситтакофульвины с альдегидной группой, тогда как в желтых и зеленых эта группа окислена до карбоксильной.

Генетическую природу различий окраски авторы статьи изучали на примере белоспинного лори, который в диких популяциях встречается в двух морфах: желтой и красной. Среди 4 303 897 вариантов, которые протестировали на связь с окраской оперения, обнаружилось три кандидата, лежащих в небольшом участке между генами ALDH3A2 и SLC47A1. Один однонуклеотидный полиморфизм (SNP) продемонстрировал выраженную ассоциацию с окраской.

Фермент, кодируемый геном ALDH3A2, который отвечает за окисление жирных альдегидов до жирных кислот. Секвенирование РНК единичных клеток перьевых фолликулов и анализ доступности хроматина подтвердили, что экспрессия ALDH3A2 повышена в кератиноцитах поздней стадии дифференцировки — они имеют решающее значение в метаболизме пситтакофульвина. SNP, ассоциированный с окраской перьев белоспинного лори, находился в открытом регионе хроматина, специфичном для этих кератиноцитов. Авторы предположили, что данная мутация влияет на активность энхансера, который контролирует уровень экспрессии ALDH3A2.

Транскриптомный анализ образцов, полученных от белоспинного лори и другого вида попугаев (розовощеких неразлучников), показал, что в участках перьев, обогащенных желтыми пситтакофульвинами, уровень ALDH3A2 выше, чем в участках, обогащенных красными пситтакофульвинами.

Роль ALDH3A2 в биосинтезе пситтакофульвинов того или иного цвета авторы работы изучили на дрожжах. Анализ показал, что фермент окисляет альдегидную группу, свойственную красным пситтакофульвинам, до карбоксильной — это приводит к появлению желтого пигмента.

Таким образом, ученые выяснили, что существенная часть цветовых вариаций у попугаев контролируется уровнем экспрессии одного ключевого фермента — ALDH3A2 — который модулирует метаболизм альдегидов и регулирует смену красного и желтого цвета оперения. Авторы полагают, что этот простой механизм, управляемый одним геном, объясняет, почему в ходе эволюции окрас попугаев мог легко сменяться с желто-зеленых оттенков на красные и обратно.

Образование узоров на крыльях бабочек контролируется длинной некодирующей РНК