В Cб.: «Водные экосистемы и организмы-4”. Mакс Пресс, c.76

В Cб.: «Водные экосистемы и
организмы-4”. Mакс Пресс, c.76-80
КАК ВОЗНИКЛА БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ?
*
Ю.А. Лабас, А.В. Гордеева
Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, 119071, Ленинский пр-т, 33, Москва;
*
электронный адрес: labass@iitp.ru
Биолюминесценция (Б.) и сверхслабое свечение. Биолюминесценция (Б.) излучение организмами света, хорошо заметное в темноте [1], в отличие от так
называемого сверхслабого свечения, которое свойственно большинству живых
структур, но обычно выявляется только посредством люминометра, работающего в
режиме счетчика квантов[2]. Оба типа свечения - результат излучательной
дезактивации возбужденных электронных состояний атомов кислорода, главным
образом, в нестойких диоксетановых (циклических с -О-О- связями) перекисях,
образующихся при окислении некоторых органических субстратов[3]. Причина
яркости Б-ных реакций - их необычайно высокий (порядка 0,3-0,9) квантовый
выход. Он обусловлен особенностями структуры участвующих в них
люминофорных субстратов - люциферинов (Лф) или образующихся в процессе их
ферментативного окисления промежуточных соединений [4]. У большинства Б-ных
организмов Лф в таких реакциях ферментативно окисляется молекулярным
кислородом при участии внемитохондриальных субстрат-специфичных оксидаз люцифераз (Лц) [5].
Однако известен ряд биолюминесцентных систем (БС), в которых Лф окисляется
не молекулярным кислородом, а его активными формами (АФК) - перекисью
водорода - Н2О2 или супероксидом (О2-), причем в первом случае - с участием
субстрат - специфичной пероксидазы (Лф +H2O2+ Лц), а во втором, по-видимому,
даже бесферментно [6].
С окислением АФК разных органических соединений связано и сверхслабое
свечение. Однако его квантовый выход несравненно ниже, чем у
специализированной Б. [7].
Распространение Б. в органическом мире. Б. обнаружена у более 700 видов
морских и наземных организмов всех уровней филогенеза, от бактерий до рыб.
Однако, по неизвестным причинам она крайне редка в пресной воде
(новозеландская легочная гастропода Latia neuritoides, некоторые паразитические
фотобактерии); отсутствует у автотрофов, кроме динофлагеллат, у Protozoa, кроме
радиолярий, у ряда групп Metazoa (губки, круглые и плоские черви, мшанки,
брахиоподы и некоторые др.), а также у позвоночных, кроме рыб. При этом
светятся статически (непрерывно) только фотобактерии и грибы. У прочих
организмов Б. чаще всего импульсная (вспышки длительностью 0,1-1,0 сек.),
возникает лишь в ответ на адекватные внешние стимулы и у Metazoa
контролируется нервной системой [8].
Функции Б. Энергозатраты, связанные с Б., очень велики: для зеленого излученияпорядка 50 ккал/моль, что приблизительно в 8 раз превосходит энергию,
высвобождаемую при гидролизе макроэргических ~P-связей в эквимолярном
количестве АТФ [9]. Поэтому естественный отбор едва ли щадит Б. в тех случаях,
когда она не имеет селективной ценности.
Все известные или предполагаемые функции Б. так или иначе связаны со
зрительным поведением многоклеточных животных в темноте (привлекающий
эффект статического света бактериальных колоний и плодовых тел грибов,
пугающее, дезориентирующее или сигнальное назначение вспышек, освещение
ближнего пространства, светомаскировка снизу на светлом фоне водной
поверхности и т.д.) [10].
У большинства морских эукариот вспышки
скоординированы
с
двигательной защитной реакцией и у некоторых "подражательно" передают ее от
потревоженной особи другим [11]. У части этих организмов Б. тем или иным
способом временно "выключается" при дневном освещении, где она утрачивает
свою функцию, становясь малозаметной [12].
Проблема Б.-ных мутаций. В связи с поведенческими функциями Б. еще Ч.
Дарвин отнес ее происхождение к "частным трудностям" своей теории
естественного отбора [13]. Действительно, мишенью отбора, связанного с
поведением, свечение может становиться только тогда, когда оно хорошо заметно
и, если носит импульсный характер, возникает в адекватных ситуациях. Поэтому
зарождение любой новой БС могло осуществляться только через фиксацию
отбором "белых ворон" - нейтральных мутантов неБ-ных организмов с хорошо
заметным свечением [14].
Пока попытки обнаружить таких мутантов в природе или получить их
посредством мутагенов у заведомо неБ-ных организмов, насколько нам известно,
не предпринимались. Однако, об относительно недавнем и, скорее всего,
сальтаторном генезисе ряда БС свидетельствует таксономическая близость
некоторых Б-ных организмов с неБ-ными (Б-ные и неБ-ные штаммы гриба Pannelus
stipticus [15]; неБ-ные мутанты у ряда видов фотобактерий [16] и динофлагеллат
[17]; Б-ные и неБ-ные виды в одном роду гидроидов Obelia [18], циклопоид Oncaea
и Oithona [19] и т.д.)
Мало помогает пониманию начальной эволюции БС сравнительный анализ секвенсов Лц: у светляков - химера пероксидазного сайта с 4-кумарат-КоА-лигазой
[20], у морского пера Renilla и у гидроидов, соответственно, гомолог галоалкандегалoгеназы [21] и представитель семейства Са2+- связывающих белков, наряду с
Лф - связывающим белком Renilla [22]; у остальных секвенированных Лц гомологи
пока не обнаружены.
Из-за несходства Лц, Лф и других структурно-функциональных компонентов
разных БС полагают, что более 30 из них возникли независимо (конвергентно) [23].
«Дыхательный взрыв» (ДВ) и БС. На вопрос, какие нейтральные мутации могут
порождать БС, по-видимому, отвечают следующие обобщенные нами данные
разных авторов. "Дыхательный взрыв" (ДВ) вначале был открыт в фагоцитах
позвоночных [24] и беспозвоночных [25] животных. Он представляет собой скачок
потребления
кислорода,
не
угнетаемый
митохондриальными
ядами,
сопровождается усилением сверхслабого свечения и связан с генерацией О2-,
дающего начало каскаду других АФК, внемитохондриальным ферментом мембранной НАДФН – оксидазой [26]. Функция этой реакции состоит в
импульсной антимикробной секреции АФК. ДВ стимулируют разные агенты
(интерлейкины, цитокины, метаболиты бактерий и др.), вызывающие повышение
цитоплазматической концентрации Са2+ - [Са2+]in [24]. Позже выяснилось, что
воздействия, вызывающие повышение [Са2+]in, стимулируют импульсную
генерацию АФК, сопровождаемую вспышкой сверхслабого свечения, также и у
многих других клеток [27], в том числе - наружного эпителия ряда гидробионтов
[28].
Между тем у Б-ных дождевых червей Diplocardia longa [29] и колониальных
асцидий Clavelina miniata [30] БС локализуется в фагоцитах (клетках, в число
фунций которых входит генерация АФК!). Фагоциты (у дождевых червей целомоциты, один из типов фагоцитов) высвечивают при лизисе на наружной
поверхности потревоженного животного (у асцидий - под прозрачной мантией),
куда массами доставляются с целомической жидкостью через особые поры.
Излучающая реакция у D.longa (у асцидий не исследована): Лф+H2O2+Лц,
где Лц - негеминовая пероксидаза [31].
Известно, что лизис фагоцитов обычно вызывается гиперпродукцией ими АФК
вследствие запредельного повышения [Са2+]in [32]. От окислительного стресса,
вызываемого собственной секрецией, фагоциты защишаются антиоксидантными
реакциями, в том числе пероксидазного типа: SН-глутатион+Н2О2+глутатионпероксидаза [33] (ср. с Б-ной реакцией у D.longa).
И у неБ-ного дождевого червя Lampito mauritii фагоциты ярко светятся от Н2О2,
хотя нет специального механизма их выделения на поверхность тела в ответ на
пугающие стимулы [34].С другой стороны, в растущих верхушках бамбука
свечение, относительно яркое для сверхслабого (двухмерное изображение видно в
оптико-электронном усилителе яркости), тоже порождает пероксидазная реакция,
связанная у растений с образованием лигнина: Tyr+Н2О2+Tyr-пероксидаза [35]. Эти
примеры подтверждают возможность эволюционного перехода от неБ-ных к Б-ным
(т.е. ярко излучающим) пероксидазным реакциям.
В плодовых телах вышеупомянутых грибов P.stipticus Лц вообще отсутствует.
Лф, производное пеналь-альдегида, ярко светится при бесферментном окислении
О2- [36]. И у полихет из сем. Polynoidae Лц как таковая, по-видимому, тоже
отсутствует. Импульсную внутриклеточную Б. в эпителии элитр (дорсальных
придатков) вызывают нервные импульсы через повышение [Са2+]in. Са2+ активирует
в особых органоидах – фотосомах О2--генерирующий внемитохондриальный
фермент - по-видимому, флавопротеин. Ярко светится от О2- локализующийся в тех
же органоидах фотопротеиновый комплекс белка с Лф - "полиноидин", пока не
клонированный [37].
У множества других морских Metazoa - полихет Chaetopterus и др.[38], бивальвий
Pholas [39], Б-ных остракод [40] и веслоногих раков [19]- субстрат (у полихет и
бивальвий - фотопротеины, у прочих - Лф) и Лц синхронно выстреливаются из
двух разных эктодермальных желез при раздражении животного, и светится их
смесь в воде. У полихет такой секреторный тип Б. обычно совмещается с
внутриклеточным [41]. Лц во всех этих и многих других БС - катализатор реакции с
молекулярным кислородом.
С эволюционной точки зрения очень важно, что фотопротеины [42] и Лф [43] не
только вышеупомянутых, но и всех других организмов, включая даже Са2+активируемые фотопротеины гидроидов[44], широко применяемые как индикаторы
Са2+ [45], in vitro ярко светятся при бесферментном окислении АФК: О2(полиноидин, варгулин - см. ниже) или практически любыми. Кроме того, у всех
организмов с импульсной Б. ее in vivo стимулируют воздействия, повышающие
[Са2+]in [46], т.е. те же самые, которые у разных неБ-ных клеток вызывают ДВ и
порождаемую им вспышку сверхслабого свечения [28].
АФК и фотобактерии. Свечение БС фотобактерий in vitro продолжается при
замене алифатического альдегида - как полагали, обязательного кофактора
излучающей реакции с Е и молекулярным кислородом, на АФК - Н2О2 или др.[47].
Мутанты симбиотичеких фотобактерий, утратившие БС, теряют резистентность к
АФК, секретируемым хозяином - кальмаром во внутреннюю полость его органа
свечения [9].
Многие неБ-ные паразитические бактерии в lag-периоде секретируют в среду
АФК для разрушения тканей хозяина или борьбы с конкурентами [48]. Имеется ли
аналогичная секреция у фотобактерий, пока не известно. У неБ-ных Listeria эта
секреция сопровождается слабым свечением. Оно резко усиливается, если в
культуральную
среду
добавляют ацетальдегид [49] (ср. с ролью
алифатического альдегида в БС фотобактерий).
Антиоксидантные свойства Лф. Все исследованные в этом отношении Лф и
фотопротеины оказались эффективными антиоксидантами. По цитопротекторному
эффекту они не уступают даже таким классическим биогенным антиоксидантам,
как α - токоферол и аскорбат [50]. Сходство с витаминами усугубляет то, что
многие Б-ные животные не синтезируют сами свой Лф, а заимствуют его с пищей у
других, тоже Б-ных организмов. Так, эувфаузииды Meganyctiphanes norvеgica [51] и
рыбы Porhichthys [52] используют Лф, соответственно, динофлагеллат (линейный
тетрапирол) и остракод Vargula (имидазолпиразиноновое производное варгулин).
На основании экспериментов с Б-ными гидромедузами Aequorea допускают, что
Б-ные книдарии и даже, возможно, многие другие морские животные, у которых
Лф - целентеразин (вещество, близкое к варгулину), не синтезируют его, а
заимствуют у светящихся низших раков [53]. Целентеразин обнаружен и вне
фотогенных клеток у ряда Б-ных животных, а также в тканях многих неБ-ных
морских Metazoa [54].
Заключение. Мы рассматриваем Б. как пример возникновения новых
биологических функций в филогенезе через их смену. Ряд авторов полагают, что
анцестральной функцией Лф могла быть детоксификация АФК, образуемых в
морской воде при действии УФ-компонента солнечной радиации (глубоководным
видам антиоксиданты якобы не нужны) [55] или как "неизбежное зло" при
аэробном дыхании [56]. Согласно нашей гипотезе [57], эта функция Лф и части Лц
(пероксидаз) состояла в защите от самоуничтожения клеток, почему-либо в повышенных количествах продуцирующих АФК (фагоциты, эпителиальные железы
водных животных и т.д.). Как раз таково происхождение большинства специализированных фотогенных структур [58]. Динофлагеллаты [59], а также,
вероятно, фотобактерии в плотной культуре (эффект аутоиндукции) генерируют в
среду АФК. При этом причина импульсного характера Б. у многих эукариот, как
следует из сказанного выше - импульсная генерация АФК (см. фагоциты, фотоциты
Polynoidae), или же импульсный характер эпителиальной защитной секреции, тоже,
возможно, первоначально включающей АФК как один из токсических
компонентов[58].
Б., вероятно, порождали нейтральные мутации, приводившие к появлению в
клетках, секретирующих в среду АФК для каких-либо целей (защиты от
эндопаразитов или от внешних врагов, у паразитических фотобактерий – для
деструкции тканей хозяина и т.д.),- новых антиоксидантов (собственных аберрантных или ксенобиотиков), необычайно ярко светящихся при перекисном
окислении (бесферментном или с пероксидазой). Дальнейший отбор появившихся
de novo БС мог быть направлен на уменьшение риска окислительного стресса через
замещение АФК молекулярным кислородом при ферментативном окислении Лф с
участием субстрат-специфичной Лц. Таким образом, БС, в которых Лф окисляются
АФК бесферментно или с участием пероксидазы, представляются филогенетически
более молодыми, чем системы, в которых окислитель - молекулярный кислород.
Работа поддержана РФФИ (проект 02-04-49717).
Литература. 1 Hastings J. W. (1995) In: Cell Physiology (ed. N. Speralakis), 651-681,
New York, Academic Press 2 Nose K. (2000) Biol Pharm Bull, 23, 897-903 3 Adam W.,
Bronstein I., Trofimov A.V. (1998) J. Phys. Chem. A., 102, 5406-14 4 Mager H.I.X., Tu
S.Ch. (1995) Photochem Photobiol, 62, 607-622 5 Hastings J.W. (1996) Gene, 173, 5-11
6 Labas Y.A., Matz M.V., Zakhartchenko V.A. (2000) in: Case J.F. et al. (eds.) Proc. of
the 11 intern. Symp. Biolum. Chemilum, World scientific, Singapore, 91-94 7 Murphy
M.E., Sies H. (1990) Meth. Enzymol, 186, 595-610
8
Harvey
E.N.
(1952)
Bioluminescence. N.Y., A.P., 542 p. 9 Wilson T., Hastings J.W. (1998) Ann. Rev. Cell.
Dev. Biol, 14, 197-230 10 Morin J.G. (1983) Bull.Mar.Sci, 33, 787-817 11 Лабас Ю.А.
(1980) В кн. "Теор. и практ. значение кишечнополостных” (Наумов В.Д., Степанянц
С.Д. - ред.) / Зоол. ин-т АН СССР, Л., 41-49 12 Лабас Ю.А. (1973) В сб. "Биофизика
живой клетки", 4, 83-116 13 Darvin, C.R. (1859) The origin of species. London. 14
Buck, J.B. (1978) In: Bioluminescence in action (ed. P. J. Herring), 419-460, London,
A.P. 15 Shimomura O., Satoh S., Kishi Y. (1993) J Biolum Chemilum, 8, 201-205 16
Huang S, Tu S.C. (1997) Biochemistry, 36, 14609-15 17 Morishita H, Ohashi S, Oku T.
et al. (2002) Photochem Photobiol, 75, 311-5 18 Morin, J.G. (1974) Coelenterates
Biology, Rev. New perspect, A.P., N.Y. (Muscatine, L., Lenhoff,H.-ed-s), 397-438 19
Евстигнеев П.В, Битюков Э.П. (1990) Биолюминесценция морских копепод. Наука,
АН УССР, 145стр. 20 Wood K.V. (1995) Photochem Photobiol, 62, 662-673 21
Altschul S.F., Madden T. L., Schaffer A. A. et al. (1997) Nucleic Acids Res., 25, 33893402 22 Tsuji F. I., Ohmiya Y., Fagan T. F. et al. (1995) Photochem. Photobiol, 62, 657661 23 Hastings J.W. (1995) Photochem Photobiol, 62, 599-600 24 Tosk J., Lau B. H.,
Lui P. et al. (1989) J. Leukoc. Biol, 46, 103-108 25 Nappi, A. J., Ottaviani, E. (2000)
BioEssays, 22, 469-479 26 Voeikov V. (2001) Rivista di Biologia, 94, 193-214 27
Isojima Y., Isoshima T., Nagai K. et al. (1995) Neuroreport, 6, 658-60 28 Гордеева А.В,
Лабас Ю.А. (2002) Биофизика, 47, 90-93 29 Bellisario R., Spencer T.E., Cormier M.J.
(1972) Biochemistry, 11, 2256-66 30 Chiba, K., Hoshi, M., Isobe, M. et al. (1998) J. Exp.
Zool., 281, 546-553 31 Wampler J.E., Jamieson B.G.M. (1986) Comp. Biochem. Physiol.,
84A, 81-87 32 Elliot S.I., Meszaros J.G., Schiling W.P. (1992) Free Rad. Biol. Med., 13,
613-650. 33 Chaudiere J., Ferrari-Iliou R. (1999) Food Chem. Toxicol, 37, 949-962 34
Santhanam K.S.V., Limaye N. M. (1989) Bioelectrochem. Bioenergetics, 27, 231-240 35
Totsune H., Nakano M., Inaba H. (1993) Biochem. Biophys.Res. Commun, 194, 3, 10251029 36 Shimomura, O. (1991) J. Exp. Botany, 41, 555-560 37 Bassot, J.M., Nicolas,
M.T. (1995) Histochem Cell Biol, 104, 199-210 38 Shimomura, O., Johnson, F. H.
(1968) Science, 159, 1239- 40 39 Dunstan, S. L., Sala-Newby, G.B., Bermudez-Fajardo,
A. et al. (2000) JBC, 275, 9403- 09 40 Herring, P.J. (1978) Bioluminescence in action
(ed. P.P.J. Herring) London, A.P., 199-240 41 Anctil, M. (1987) In: Nervous systems in
invertebrates (ed. M. A. Ali), 573-600, New York, Plenum Publishing Co. 42 Cotton B.,
Ashley A., Cobbold, P.H. et al. (1989) Biochem.Soc Trans, 17, 705-706. 43 Tampo Y.,
Tsukamoto M., Yonaha M. (1998) FEBS Lett, 430, 348-352 44 Высоцкий Е., Бондарь
В.С, Трофимов К.П. и др. (1991) Докл. АН СССР, 321, 850-853 45 Орлов С.Н., Лабас
Ю.А. (1989) Биол. мембраны, 6, 901-938. 46 Bassot J.M. (1996) Bull de Soc. Zool. de
France. Evolut. et Zool. 121, 162-163 47 Watanabe, H., Nagoshi, T., Inaba, H. (1993) Dioch. Bioph. Acta, 1141, 297-302 48 Островский Д.Н. (1997) 53 Баховское чтение, М.,
23 c. 49 Roth J.A., Kaeberle M.L. (1980) J. Bacteriol, 144, 752-757 50 de Wergifosse D.,
Noiser O., Dubuisson M. et al. (1998) In: Biolum. and chemilum. Perspect. for the
XX1Century (Proc. of the 10 Intern. Symp. Biolum. Chemilum, Bologna), 397-400 51
Dunlap J.C., Hastings J.W., Shimomura O. (1980) PNAS, 77, 1394-97 52 Thompson
E.M., Nafpactitis B.G., Tsuji F.I. (1987) Photochem Photobiol, 45, 529-533 53 Haddock,
S.H.D., Rivers, T.J., Robison, B.H. (2001) PNAS, 98, 11148-51 54 Thomson C.M.,
Herring P.J., Campbell A.K. (1997) J. Biolum Chemilum,12, 87-91 55 Rees J. F., de
Wergifosse B., Noiset O. et al. (1998) J. Exp. Biol, 201, 1211-1221 56 Barros M.P.,
Bechara E. J. H. (1998) Free Rad. Biol. Med., 24, 767-777 57 Лабас Ю.А. (1990) в: Тез
Х Всесоюзн. конф. по эвол. физиол., 17 58 Campbell A.K., Herring P.J. (1990) Marine
Biolog, 219, 219-225 59 Oda T., Ishimatsu A., Takeshita S. et al. (1994)
Biosci.Biotech.Biochem, 58, 957-960