Клітинна “сила” рудоволосих розкрила стародавню еволюційну таємницю

Протягом багатьох років помаранчевий пігмент шкіри та волосся вважався фактором ризику, що підвищує ймовірність розвитку меланоми.

Нове дослідження виявило, що за певних обставин цей самий помаранчевий пігмент може, навпаки, допомагати захищати клітини, справляючись із специфічними харчовими проблемами. Вчені назвали цей пігмент феомеланіном, повідомляє Earth.

У рамках контрольованого дослідження в Іспанії, проведеного Вищою радою з наукових досліджень (CSIC), біологи проаналізували 65 зебрових амадин, щоб перевірити, чи може сама по собі пігментація зменшувати метаболічні ушкодження.

Під керівництвом доктора Ісмаеля Гальвана команда використала цю вбудовану колірну відмінність для розв’язання давньої еволюційної загадки: чому пігмент, пов’язаний із довгостроковими витратами, так широко зберігся.

Маніпулюючи харчуванням і виробництвом пігменту одночасно, дослідження, опубліковане в журналі PNAS Nexus, оцінило, чи слугувало помаранчеве забарвлення не лише сигналом, а й клітинною стратегією для управління поживними речовинами, багатими на сірку.

Помаранчевий пігмент і рудоволосі

Та сама біологія, що надає колір рудому волоссю, була пов’язана з підвищеним ризиком меланоми – закономірністю, яка десятиліттями ставила в глухий кут еволюційних біологів.

Якби пігмент створював лише небезпеку, природний відбір зазвичай віддавав би перевагу генетичним варіантам, які спрямовували клітини до більш безпечного темного меланіну.

Команда доктора Гальвана перевірила давню теорію про те, що виробництво феомеланіну також могло вирішити проблему з харчуванням.

Занадто багато цистеїну всередині клітин

Клітини використовують цистеїн, сірчану амінокислоту, що застосовується для побудови білків, але надмірна кількість може порушити крихкий хімічний баланс. За певних умов цистеїн окислюється до цистину, що може призвести до дисульфідного стресу – форми загибелі клітин, викликаної дисульфідним стресом.

Оскільки феомеланін формується з цистеїну, виробництво більшої кількості пігменту могло зафіксувати надлишок цистеїну в стабільній, нешкідливій формі.

Ця концепція була важливою в пігментних клітинах, де цистеїн також живить глутатіон – невелику молекулу, що допомагає нейтралізувати реактивні хімічні речовини.

Блокування помаранчевого пігменту

Щоб перевірити гіпотезу про цистеїн, група Гальвана додавала його до раціону деяких птахів і блокувала синтез пігменту в інших протягом того ж періоду.

Кожна пташка, яка отримувала лікування, пила воду, що містила близько 0,1 г/л цистеїну, протягом одного місяця.

Деякі самці також отримували ML349 – препарат, що блокує синтез феомеланіну, зберігаючи активність пігментного рецептора.

Після процедур аналізи крові відстежували малоновий діальдегід, побічний продукт розпаду жирів при окисленні, як маркер системного ушкодження.

Ураження проявилися у самців

Серед самців блокування феомеланіну змінило результат прийому добавки цистеїну в чітко визначеному напрямку.

Самці, які отримували цистеїн плюс ML349, мали вищий рівень малонового діальдегіду в плазмі, ніж самці, які отримували лише цистеїн, після врахування антиоксидантної здатності.

Аналіз скоригував активність генів, що контролюють антиоксиданти в меланоцитах, клітинах, що виробляють пігмент у шкірі та пір’ї, перед порівнянням груп лікування.

Ці результати підтвердили простий механізм: виробництво пігменту використовувало додатковий цистеїн, залишаючи менше реактивних побічних продуктів, здатних завдати шкоди клітинам.

У самок був відсутній запобіжний клапан

Самки становили природний контраст, оскільки вони не відкладають помаранчевий феомеланін у своєму пір’ї.

Коли самки пили воду з додаванням цистеїну, рівень малонового діальдегіду мав тенденцію до зростання порівняно з контрольною групою, яка отримувала звичайну воду.

Препарат ML349 не змінив маркери крові у самок, що узгоджувалося з початковою відсутністю у них вироблення феомеланіну.

Без пігментного шляху надлишок цистеїну здавався в організмі цих птахів скоріше тягарем, ніж корисною поживною речовиною.

Перетворення амінокислот на пір’я

Утворення феомеланіну могло знижувати рівень вільного цистеїну в клітинах, оскільки для створення пігменту використовується та сама амінокислота.

Усередині меланосом – крихітних оболонок, де збирається пігмент, – меланоцити створюють феомеланін і переміщують його в пір’я, що росте.

“Ці результати продемонстрували, що синтез феомеланіну допомагав уникнути пошкодження клітин шляхом виведення надлишку цистеїну в інертні кератинові структури, такі як пір’я”, – пояснив Гальван.

Проблема полягала в тому, що в інших тканинах цього пігментного шляху могло не бути, тому поводження з цистеїном могло відрізнятися по всьому організму.

Що це означає для рудоволосих

Для людей цей самий помаранчевий пігмент найбільш знайомий за рудим волоссям і дуже світлою шкірою. Дослідження на мишачих моделях у 2012 році виявило, що шлях феомеланіну міг збільшувати ризик меланоми без ультрафіолетового випромінювання.

Результати дослідження Амадіна вказали на те, що дієта і метаболізм могли формувати цей ризик, змінюючи ту кількість цистеїну, з якою пігментним клітинам необхідно справлятися.

Тестування на людях не було частиною цієї роботи, тому вона поки що не змогла визначити, які продукти підвищують рівень цистеїну в шкірі.

Помаранчевий пігмент і захист клітин

Якщо феомеланін допомагає управляти надлишком цистеїну, помаранчеве оперення могло зберігатися, оскільки воно вирішувало фізіологічні проблеми, крім сигналізації або зовнішнього вигляду.

Природний відбір міг сприяти генам, пов’язаним з пігментом, навіть коли вони несуть довгострокові витрати, якщо вони зменшують повсякденний клітинний стрес при певних дієтах або умовах навколишнього середовища.

Цей компроміс допоміг пояснити, чому помаранчеві та червоні кольорові візерунки так часто знову з’являються у птахів, ссавців і рептилій.

Це також ускладнило прості розмови про здоров’я навколо пігментації, показуючи, що біологічні ефекти пігменту могли залежати від навколишнього середовища та дієти в тій же мірі, що й від генетики.

В цілому, експеримент з амадинами під керівництвом CSIC пов’язав помаранчеву пігментацію та регуляцію цистеїну з вимірюваними маркерами клітинного пошкодження в крові.

Далі дослідники запланували вивчити, чи покладається шкіра людини на аналогічний шлях зберігання на основі пігменту. Команда також вирішила з’ясувати, чи змінюють зміни в харчуванні або хвороби рівень цистеїну таким чином, що змінюється захисна роль пігменту.

Раніше УНІАН повідомляв, що у людей, які фарбують волосся в яскраві кольори, є ці 11 характерних рис.