Светлячки, их возможности и образ жизни неплохо изучены. Например, специалисты выделили фермент — люциферазу, который насекомые используют для излучения света. С 60-х годов прошлого века известны вещества, благодаря которым возможна люминесценция. Но эти похожие на личинок жуки хранят ещё много загадок, которые учёные не смогли разгадать.

Например, как светляки контролируют процесс свечения и почему они умеют это делать только в определённом органе? Ведь ничего подобного нет у представителей других видов насекомых. Каким-то образом в процессе эволюции светлячки получили сложный орган, способный излучать свет. И «прототипа» тоже нет. Пара исследователей из китайского города Ухань (да-да, тот самый город) решила прояснить эти моменты, изучив гены, которые отвечают за процесс свечения у насекомых.

Навстречу свету

Почему светлячки излучают свет? Это могут делать не только имаго, т. е. взрослые особи, но и их потомство. Учёные считают, что это помогает личинкам отпугивать хищников, сигнализируя о своей токсичности. Одна из теорий гласит о том, что система свечения насекомых во время эволюции усовершенствовалась и стала служить инструментом поиска партнёра для спаривания.

Органы взрослых светлячков формируются в разных частях брюшка насекомого, в зависимости от пола особи. Люминесцентный орган включает в себя прозрачные кутикулы на поверхности тела жучка и специализированные клетки, генерирующие свечение. В этих клетках у светлячков присутствуют химическое вещество, называемое люциферином, и фермент люцифераза. Люциферин и люцифераза находятся в разных частях клетки. Когда кислород из воздуха взаимодействует с люциферином в присутствии люциферазы, начинается окислительная реакция. В процессе этой реакции энергия освобождается и возбуждает электроны в молекулах.

Затем электроны переходят на более высокий энергетический уровень. Когда они возвращаются на свои нормальные уровни, избыточная энергия высвобождается в виде света. Это и создаёт свечение у светлячков. Через прозрачную кутикулу видимое нам сияние может легко выходить наружу.

Важное значение в этом процессе играет пероксисома — органоид внутри клетки, обычно ответственный за различные окислительные реакции, включая разложение различных химических веществ при участии кислорода. Процесс, который катализирует фермент люцифераза, не может осуществляться без кислорода. Поэтому включение фермента в пероксисому в целом имеет смысл. Однако имеются некоторые признаки того, что пероксисомы в светящихся клетках специализированы и, возможно, не способны выполнять все другие функции, характерные для них.

Учёные решили выявить гены, ответственные за формирование и работу органа свечения. Сложность заключалась в том, что жучки практически не размножаются в лабораторных условиях. Поэтому Синьхуа Фу и его коллега решили секвенировать геном светляков и других близких к ним насекомых. Простыми словами, проанализировать генетическую информацию в ДНК, что позволит узнать последовательность генома. Цель — выявление эволюционировавших генов или уже существующих, которые были дуплицированы. Дупликация генов создаёт дополнительные копии, которые становятся свободными для мутаций и приобретения новых функций. Учёным действительно удалось выявить несколько потенциально интересных генов, но ни один из них не имел ничего общего со способностями к свечению насекомых.

Генетика сияния

Фу и Чжу работали с определённым видом водных светлячков, чей геном ещё не был секвенирован ранее. Оказалось, что он необычайно большой у этого вида и наполнен множеством элементов, не несущих никакой функции. Это были как подвижные элементы ДНК, так и большие интроны внутри генов. Тем не менее учёным удалось расшифровать около 98% генома и определить большинство генов, которые он несёт.

Так как люминесцентный орган способен развиваться только в конкретных сегментах брюшка насекомого, китайские исследователи сконцентрировали своё внимание на генах, которые определяют идентичность сегмента. Они «подсказывают» определённому сегменту тела, в какой конкретный орган ему развиться. Гены гомеобокса были обнаружены в конце прошлого века у широкого спектра организмов — от бактерий до человека.

Фу и Чжу изучили активность белков гомеобокса, обнаруженных в геноме светлячков. Шесть из них оказались активны только в нужное время и в нужном месте, что потенциально может влиять на формирование люминесцентного абдомена. Затем учёные подавили активность каждого из этих генов с помощью технологии, называемой интерференцией РНК. Результаты показали, что трое из пяти генов, скорее всего, координируют излучение света. Потеря активности двух других генов привела к нарушению процесса формирования светоизлучающего органа. Это означает, что эти гены играют ключевую роль в развитии и формировании самого органа, обеспечивая необходимые сигналы и инструкции для его правильного формирования и функционирования.

Белки гомеобокса, как упоминалось ранее, являются транскрипционными факторами, которые могут связываться с определёнными участками ДНК, регулируя активацию или репрессию других генов в клетке. Учёные обнаружили, что один из генов, на которые оказывается влияние, кодирует фермент люциферазу — ключевой фермент, ответственный за биолюминесценцию у светлячков. Два белка гомеобокса образуют комплекс на участке ДНК, находящемся рядом с геном люциферазы в светоизлучающих клетках. Этот комплекс прямо активирует ген люциферазы, стимулируя его экспрессию и таким образом увеличивая производство фермента, что приводит к увеличению светоизлучения у светлячков.

Один из белков гомеобокса активирует не только гены, связанные с производством люциферазы, но и гены, ответственные за перемещение этого фермента в органеллу, где происходит реакция производства света. А значит, белки гомеобокса играют роль не только в активации генов, непосредственно участвующих в процессе светопроизводства, но и в других аспектах этого процесса, таких как транспорт фермента.

Фу и Чжу выяснили, что производство светопроизводящих клеток осуществляется раздельно от системы, координирующей вспышки света от этих клеток. А белки гомеобокса, определяющие, в каких сегментах тела развивается светопроизводящий орган, непосредственно участвуют в производстве люциферазы, на которой в конечном счёте основана работа этих органов.

Оказалось, светлячки не стали излучать свет в процессе эволюции. Вместо этого основные компоненты для развития люминесцентного абдомена были у них с самого начала. Т. е. светящийся орган мог быть результатом изменений и модификаций уже существующих структур и отдельных генов, а не появлением чего-то совершенно нового. Но подробности этого процесса ещё предстоит выяснить, чем и занимаются в настоящее время китайские специалисты.