Ученые из Университета Осло выяснили, какие молекулярные адаптации позволяют карасям и их ближайшим родственникам золотым рыбкам подолгу обходиться без кислорода.

Оказалось, что благодаря удвоению генома у карасей в распоряжении оказались лишние копии ферментов окислительного метаболизма глюкозы, которые они превратили в ферменты спиртового брожения. Вместо того, чтобы окислять глюкозу до углекислого газа с участием кислорода, караси научились превращать ее в спирт примерно так, как это делают дрожжи. Статья опубликована [2] в журнале Scientific Reports, отмечает N+1. [3]

Подавляющее большинство позвоночных животных не могут долго обходиться без кислорода, однако караси (рыбы из рода Carassius) известны способностью в таких условиях поддерживать жизнедеятельность в течение часов и даже месяцев. В поисках объяснения этому феномену ученые обнаружили, что караси и их родственники золотые рыбки накапливают в организме довольно большое количество этилового спирта.

Этанол является продуктом бескислородного окисления глюкозы – процесса, который известен как спиртовое брожение. На первой стадии глюкоза в реакциях гликолиза [4] распадается на две молекулы пирувата с образованием небольшого количества энергии в форме АТФ. Дальше фермент пируватдекарбоксилаза превращает пируват в ацетальдегид, который превращается в этанол с участием алкогольдегидрогеназы.

Таким способом получают энергию дрожжи, практически не задействуя для этого митохондрии и проходящие в них реакции окисления пирувата, такие как окислительное фосфорилирование [5]. Именно этот процесс требует присутствия кислорода. Он позволяет окислить молекулу глюкозы с максимальным выходом АТФ. Пируват в этом случае должен утилизироваться с участием фермента пируватдегидрогеназы.

Подавляющее большинство позвоночных животных использует для генерации энергии окислительное фосфорилирование. Если кислорода в тканях недостаточно, окисление глюкозы останавливается на гликолизе, а образовавшийся пируват превращается в молочную кислоту. Однако в высокой концентрации она достаточно токсична для тканей, поэтому мы не можем бесконечно окислять глюкозу без участия кислорода.

Норвержские ученые обнаружили, что караси в отсутствие кислорода, вместо того чтобы превращать пируват в лактат, превращают его в этанол, используя реакции спиртового брожения. Этот факт удивителен тем, что для этого нужна пируватдекарбоксилаза, которой у позвоночных нет.  У карасей же подобной активностью, судя по всему, обладает дополнительная форма пируватдегидрогеназы. Восемь миллионов лет назад у предков современных карасей и карпов произошло удвоение генома, в результате чего они приобрели и дополнительные копии ферментов.

Авторы работы исследовали изменение экспрессии генов, кодирующих разные варианты субъединиц пируватдегидрогеназного комплекса, при содержании карасей в аквариуме без кислорода. Оказалось, что у карасей, которым не давали дышать, содержание мРНК «дополнительных» форм фермента увеличивалось на один-два порядка в мышцах по сравнению с другими органами. При этом у дальних родственников карасей – карпов – такого увеличения не наблюдалось (надо заметить, что карпы тоже могут довольно долго обходиться без кислорода, хотя до карасей им далеко). 

Ученые сделали вывод, что дополнительные изоформы фермента, который у всех остальных позвоночных, в том числе рыб, функционирует как пируватдегидрогеназа, у представителей рода Carassius приобрели способность превращать пируват в ацетальдегид. Однако для того, чтобы закончить реакцию брожения, необходима также алкогольдегидрогеназа. В геноме карася исследователи обнаружили три варианта соответствующего гена, которые появились, по-видимому, также в результате дупликации. Один из этих вариантов действительно экспрессировался в мышцах рыбок.

Получившийся спирт рыбы, по-видимому, просто выводят через жабры. Однако в тканях все же накапливается значительное его количество, что делает карася и золотую рыбку привлекательным объектом для исследования механизмов толерантности к этанолу. Поддерживать минимальный уровень жизнедеятельности довольно долго рыбкам позволяет большой запас гликогена в печени.

Таким образом, в процессе эволюции караси и золотые рыбки приобрели уникальную для позвоночных способность утилизировать глюкозу с образованием спирта и таким образом обходиться без окислительного фосфорилирования, а значит и без кислорода. Это позволило карасям заселить непригодные для других видов экологические ниши, например, маленькие пруды, которые зимой полностью промерзают, а летом зарастают.

Недавно ученые выяснили [6], что голые землекопы также способны какое-то время обходиться без кислорода. В этом им помогла особенность метаболизма, характерная для растений.