Исследователи из Брауновского университета (Род-Айленд) опубликовали в PNAS итоги четырехлетнего исследования, задачей которого было выяснить механизм загара — синтеза защитного темного пигмента в ответ на солнечное облучение.
Физиологическое явление, о котором идет речь, хорошо известно: если провести какое-то время под прямыми лучами солнца, не нанеся на кожу защитный крем, кожа темнеет, потому что в ней — в особых клетках-меланоцитах — синтезируется пигмент меланин, поглощающий ультрафиолетовое излучение. Таким образом организм защищает себя от разрушительного действия солнечной радиации.
Ультрафиолетовое излучение Солнца условно подразделяют на мягкое длинноволновое излучение UVA и жесткое коротковолновое UVB. О том, как кожа взаимодействует с UVB, известно довольно много, и именно это знание позволяет ученым настоятельно рекомендовать не подвергать себя риску и по возможности избегать UVB-облучения: загар появляется в результате той же причинно-следственной цепочки, что ведет к повреждению клеточной ДНК, и нет никакой возможности получить от Солнца только хорошее и избежать плохого. Если уж загорать, то ставку следует делать на UVA — мягкое ультрафиолетовое излучение, которое не столь опасно. Однако о том, как именно UVA связано с загаром, было известно крайне мало.
В 2015 году команда исследователей из Род-Айленда под руководством Элены Оансеа обнаружила, что в меланоцитах содержится белок опсин 3 — член большого семейства белков, реагирующих на свет. Эти белки разделяются на два класса. У позвоночных животных, включая человека, опсины одного из классов (родопсины) отвечают за зрение, то есть восприятие света сетчаткой глаза. Другой класс опсинов выполняет более разнообразные и малоизученные функции, в том числе реагирует на смену времени суток и запускает суточный ритм сна и бодрствования. К этому классу относится и опсин 3. Интересно, что у беспозвоночных два класса опсинов также присутствуют, но их функции разделены по-другому: у стрекозы белки, родственные нашим родопсинам, обеспечивают суточный цикл, а белки другого класса — зрение.
Обнаружив опсин в человеческих меланоцитах, биологи тут же выдвинули рабочую гипотезу: вероятно, решили они, именно опсин 3 улавливает солнечный ультрафиолет и дает команду на синтез темного пигмента, то есть развитие загара. Однако дальнейшие опыты принесли несколько сюрпризов, в результате которых от первоначальной гипотезы не осталось камня на камне.
Исследователи сконструировали клетки, в которых опсина 3 почти не было. Как ни странно, эти клетки были заметно темнее обычных: оказалось, что они синтезировали даже больше меланина, чем когда опсин в них присутствовал. Эти клетки, наряду с обычными, подвергли ультрафиолетовому облучению, надеясь увидеть разницу в концентрации кальция (предполагалось, что именно ионы кальция, пропускаемые в клетку по команде опсина, заставляют ее синтезировать пигмент). Клетки действительно реагировали на облучение кальциевыми импульсами, но они делали это даже в том случае, когда никакого опсина в них не было.
Таким образом, опсин 3 не реагирует на ультрафиолетовое излучение, да к тому же, как выяснилось, не стимулирует, а наоборот, подавляет синтез пигмента. Возможно, он реагирует на свет видимого диапазона, как большинство других членов его семейства? В состав опсина 3 в меланоцитах действительно входит молекула витамина А — именно с его помощью белки сетчатки нашего глаза улавливают фотоны. Исследователи облучали клетки разными частями спектра, однако опсин 3 не реагировал ни на какую из длин световых волн. Зачем ему в таком случае светочувствительная молекула витамина А, биологи понять так и не смогли.
Таким образом, опсин 3 регулирует синтез меланина в меланоцитах, однако делает он это, кажется, вне всякой зависимости от облучения. Что именно является для него внешним сигналом, так и осталось невыясненным. Зато биологам удалось разобраться, что происходит «ниже по течению»: опсин подавляет активность рецептора меланокортина-1, который регулирует количество вещества цикло-АТФ, а уж оно, в свою очередь, управляет производством меланина. Падение уровня цикло-АТФ вызывает снижение синтеза пигмента.
Чтобы разгадать тайну регуляции загара, исследователи в настоящий момент пытаются выяснить, в каких еще клетках организма есть опсин 3 и какую функцию он там выполняет. В частности, опсин 3 точно присутствует в мозгу, где он и был первоначально обнаружен. Нельзя исключать, что белок, которому когда-то эволюция «поручила» передавать в клетку сигнал об облучении и запускать соответствующие механизмы, впоследствии утратил способность реагировать на свет и нашел себе в клетке другую работу, которую природа сочла более нужной и важной.
Параллельно с попытками до конца понять регуляторные механизмы, управляющие синтезом меланина, биологи из Род-Айленда работают над практическими вопросами. Если опсин 3 действительно вовлечен в управление синтезом пигмента, то независимо от того, на какой входной сигнал он реагирует, сам этот белок может стать мишенью для медикаментов. Нарушения синтеза меланина лежат в корне нескольких заболеваний. При альбинизме меланина недостаточно, и человек становится более восприимчив к заболеваниям, вызванным ультрафиолетовым облучением, в том числе раку кожи. При гиперпигментации меланина образуется больше, чем нужно, что может быть серьезным косметическим дефектом. Разработка веществ, способных взаимодействовать с опсином 3 и влиять на его активность, может открыть новые возможности лечения этих болезней.