Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Школа наук о жизни, Университет КваЗулу-Натал
Лишайники синтезируют большое количество вторичных метаболитов, в том числе «лишайниковых веществ». Наличие лишайниковых веществ позволяет лишайникам произрастать в разнообразных, зачастую стрессовых, экологических нишах. Среди вторичных метаболитов лишайников особый интерес вызывают светозащитные пигменты. Темно-коричневый пигмент меланин играет значительную роль в защите лишайников от УФ-Б стресса, однако ключевые драйверы меланизации остаются неизученными. Меланины – гидрофобные гетерогенные полимеры, образованные последовательными реакциями окисления фенольных/индольных предшественников и по- следующей полимеризации промежуточных фенолов и хи- нонов. Формирование меланинового слоя на поверхности таллома в ответ на УФ воздействие является одним из ключевых механизмов высокой устойчивости лишайников не только к световому стрессу, но и обезвоживанию. Нами показано, что связывание молекул воды с меланином зависит от активности специфических функциональных групп в структуре этого полимера, элементного состава, присутствия ассоциированных соединений, в том числе полисахаридов, и ультраструктуры меланиновых частиц. Антрахинон париетин является доминирующим кортикальным пигментом лишайников Caloplaca и Xanthoria из семейства Teloschistaceae. Наряду с обеспечением защиты таллома от высокой фотосинтетически активной радиации и УФ излучения, париетин обладает антиоксидантными свойствами, способствует защите лишайников от кадмиевой токсичности, обезвоживания. Париетин обеспечивает защиту талломов лишайников от абиотических стрессов благодаря поддержанию стабильности мембран, антиоксидантной защите, формированию структурного барьера и сохранению воды в кортексе талломов лишайника. Уникальные свойства пигментов лишайников делают эти естественные полимеры перспективными объектами для фундаментальных и прикладных исследований, в частности, в медицине, биотехнологии и «зеленой электронике».
лишайники, световой стресс, светозащитные пигменты, устойчивость к обезвоживанию
Лишайники – симбиотические ассоциации, состоящие, в основном, из грибов аскомицетов (микобионты) и водорослей и/или цианобактерий (фотобионты). В действительности лишайники представляют собой миниатюрные экосистемы, поскольку, наряду с основными симбионтами, таллом лишайника содержит также весьма специфичную бактериальную микробиоту и паразитирующие лихенофильные грибы. Несмотря на то, что эти древние ассоциации возникли около 450 млн л. н., они являются нашими современниками. Одной из причин такого эволюционного долголетия являются их уникальная устойчивость к действию неблагоприятных факторов и способность выживать в чрезвычайно суровых условиях окружающей среды, таких как засуха, низкие температуры, длительная темнота, избыточная радиация. Среди биохимических механизмов естественной селекции лишайников особое внимание привлекают синтез и накопление в талломе защитных метаболитов. Лишайники производят множество алифатических и ароматических соединений, которые синтезируются в результате первичного или вторичного метаболизма. Первичные метаболиты – это внутриклеточные молекулы, необходимые для выполнения основных функций жизни. Они относятся к различным химическим классам, включая аминокислоты, пептиды, белки, полиолы, моно-, олиго-
и полисахариды, липиды, каротиноиды и витамины. Многие из этих первичных метаболитов не являются специфичными только для лишайников и могут быть легко обнаружены в свободноживущих грибах, водорослях, а также высших растениях. В симбиозе лишайников оба партнера – микобионт и фотобионт – несут ответственность за производство этих первичных метаболитов. В отличие от этого, вторичные метаболиты синтезируются, в основном, лихенизированными грибами. Лишайники синтезируют огромное количество вторичных метаболитов, в том числе так называемых «лишайниковых веществ». Первые сообщения о лишайниковых веществах появились в XIX в. В настоящее время в лишайниках идентифицировано более 1050 различных вторичных метаболитов, из них около 700 уникальны для лишайников [1]. В лишайниках известны три основных пути биосинтеза вторичных метаболитов: ацетил-малонатный, шикиматный и мевалонатный. Вторичные метаболиты по биосинтетическому происхождению и химической структуре классифицируются по таким классам соединений, как дибензофураны, депсиды и депсидоны, нафтохиноны, антрахиноны, ксантоны и др. [2]. Количество вторичных метаболитов варьирует обычно от 0,1 до 10 %, а иногда достигает 30 % от сухого веса таллома. Эти соединения широко используются в хемотаксономии и систематике лишайников. Кроме того, благодаря своим физико-химическим характеристикам вторичные метаболиты обеспечивают фиксацию лишайников на определенных субстратах, в том числе чрезвычайно обедненных органическими веществами, таких как камни, скалы, лава. Наличие лишайниковых веществ позволяет лишайникам произрастать в разнообразных, зачастую стрессовых, экологических нишах. Лишайниковые вещества вовлечены в селективный выбор симбионтов, аллелопатию, они регулируют фотосинтез, дыхание, проявляют защитные свойства, в том числе защиту талломов от световой радиации, патогенных бактерий и грибов. Эти соединения важны также для круговорота металлов и защиты таллома лишайников от химического загрязнения. Одними из интенсивно изучаемых свойств метаболитов лишайников являются их антиоксидантные свойства. Биосинтез разнообразных вторичных метаболитов – это компромисс, которым лишайники «оплачивают» защиту важных метаболических процессов в талломе, таких как фотосинтез и дыхание.
Изучение вторичных метаболитов лишайников затруднено из-за особенностей, присущих биологии лишайников. Чрезвычайно медленный рост лишайников (от 0,5 до 8 мм в год), тесное взаимодействие между симбионтами, сложности реконструкции симбиоза в лабораторных условиях и химическая сложность вторичных метаболитов затрудняют раскрытие генетических путей, участвующих в биосинтезе этих соединений. Задачи по расшифровке тонких механизмов биосинтеза вовлекают метагеномное секвенирование, культивирование in vitro и метаболомный анализ.
Как правило, лишайники устойчивы к световому стрессу, в том числе благодаря наличию фотозащитных вторичных метаболитов. Так, темно-коричневый пигмент меланин играет значительную роль в защите лишайников от УФ-Б стресса, однако ключевые драйверы меланизации остаются неизученными. Меланины – гидрофобные гетерогенные полимеры, образованные последовательными реакциями окисления фенольных/индольных предшественников и последующей полимеризации промежуточных фенолов и хинонов. Мы обнаружили, что УФ-Б индуцирует меланизацию таллома Lobaria pulmonaria и некоторых других лишайников и показали, что меланин обеспечивает защиту фотобионта от фотоингибирования, вызванного высокой освещенностью [3]. Транскриптомное профилирование лишайника L. pulmonaria продемонстрировало дифференциальную экспрессию генов синтеза нескольких типов меланина и других вторичных метаболитов. Воздействие УФ-Б вызывало значительное потемнение верхнего кортекса таллома, что коррелировало с повышенной экспрессией биосинтетических генных кластеров, участвующих в синтезе эу- и алломеланинов, а также предшественников меланинов [4]. Профили экспрессии общих стресс-ассоциированных генов, в частности, связанных с детоксикацией активных форм кислорода (далее – АФК), защитой белков и восстановлением ДНК, указывают на то, что микобионт является более чувствительным к УФ-Б облучению и восприимчивым партнером в симбиозе лишайников.
С помощью комплекса биохимических и биофизических методов показано, что меланины лишайников обладают антиоксидантными, хелатирующими и парамагнитными свойствами. Выраженная антиоксидантная активность эумеланина, экстрагированного из L. pulmonaria, была подтверждена реакциями по тушению радикала DPPH и эффективной способностью к хелатированию Fe2+. Анализ парамагнитных характеристик меланинов лишайников продемонстрировал, что ЭПР спектр меланина из L. pulmonaria имеет типичную картину асимметричного синглета с концентрацией парамагнитных комплексов 0,64х1017 спин г-1 [5]. Похожими антиоксидантными и парамагнитными характеристиками обладают и алломеланины, экстрагированные из лишайников Cetraria islandica и Pseudevernia furfuracea [6]. Кроме того, нами была обнаружена способность меланина, выделенного из лишайника L. pulmonaria, противостоять окислительному стрессу и связанным с ним повреждениям в модельных животных тканях – диафрагме мыши, основной дыхательной мышце. Предварительная обработка мышц меланином заметно снижала УФ-индуцированное увеличение внутриклеточных и внеклеточных АФК, а также опосредованное митохондриальным ингибитором антимицином А увеличение продукции АФК в митохондриях, сопровождающееся перекисным окислением липидов и потерей асимметрии мембран [5]. Кроме того, меланин ослаблял подавление нервно-мышечной передачи и изменения сократительных реакций, спровоцированные экзогенной Н2О2. Как известно, избыток АФК нарушает сокращение и нервно-мышечную передачу, вызывая дисфункцию скелетных мышц
и утомляемость [7]. Окислительный стресс является одним из основных причинных факторов патологических изменений мышц при различных заболеваниях. Таким образом, полученные нами результаты проливают свет на перспективы применения меланина лишайника в качестве защитного компонента для лечения заболеваний скелетных мышц, которые сопровождаются повышенным производством АФК.
Известно, что меланины – универсальные темные пигменты, встречаются во многих организмах, в том числе
и животных. Эндогенный меланин присутствует в коже, волосах, глазах, ушах и нервной системе млекопитающих, где он выполняет функции антиоксиданта, противовоспалительного вещества, светового сенсора и поглотителя токсичных соединений [8]. Однако следует отметить, что меланины также могут проявлять прооксидантные свойства и опосредовать фототоксичность. При УФ-облучении синтетические эумеланины и феомеланины, а также некоторые природные меланины могут генерировать АФК, включая H2O2, супероксидный анион-радикал и даже синглетный кислород [9]. Кроме того, фотореактивность меланина значительно возрастает по мере фотодеградации пигмента и образования интермедиатов радикальной природы, что приводит к снижению антиоксидантной способности меланина.
Еще одним пигментом, поглощающим УФ, является оранжевый пигмент париетин антрахиноновой природы. Париетин является доминирующим кортикальным пигментом лишайников Caloplaca и Xanthoria из семейства Teloschistaceae, он также синтезируется в органах покрытосеменных растений, например, в корнях Rumex crispus. Известно, что париетин из X. parietina обладает антиоксидантными свойствами, однако его основная защитная
роль – это защита таллома от высокой фотосинтетически активной радиации и УФ-излучения. Существуют данные о роли париетина в защите X. parietina от кадмиевой токсичности благодаря снижению Cd-индуцированного окислительного стресса [10]. Интересно, что удаление париетина щадящим способом не влияет на интенсивность фотосинтеза, однако приводит к снижению стабильности мембран микобионта при обезвоживании, вероятно, вследствие повышения уровня перекисного окисления липидов [11]. Биоинформатический анализ показал, что гены, вовлеченные в биосинтез париетина, организованы в биосинтетические генные кластеры. Обезвоживание приводит к повышению уровня экспрессии генов биосинтеза париетина, а также генов, кодирующих осмосенсорные, осмопротекторные и антиоксидантные белки. Анализ талломов X. parietina методами биохимии, биофизики и микроскопии свидетельствует о том, наличие париетина вносит вклад в защиту талломов лишайника от абиотических стрессов благодаря поддержанию стабильности мембран, обеспечению антиоксидантной защиты и формированию структурного барьера в кортексе талломов лишайника.
Различные вторичные метаболиты защищают лишайники от света разной длины волны и проявляют синергетические свойства в качестве антиоксидантов для защиты таллома лишайника и фотосистем фотобионта. Это было продемонстрировано для вульпиновой, пинастровой и усниновой кислот в лишайниках Vulpicida pinastri и Letharia vulpina. Интересно, в системе животных клеток усниновая кислота может проявлять как анти-, так и прооксидантное действие. Так, в высокой концентрации усниновая кислота, выделенная из лишайника Xanthoparmelia farinosa, вызывала повреждающий эффект на клеточные мембраны и снижала метаболизм в клеточной линии лимфоцитов человека при действии УФ-облучения. Однако в низких концентрациях и при физиологической интенсивности УФ-излучения усниновая кислота проявляла антиоксидантные свойства [12].
Таким образом, уникальные свойства метаболитов лишайников делают эти естественные полимеры перспективными объектами для фундаментальных и прикладных исследований, в частности, для развития так называемой «зеленой электроники», применения в медицине, биотехнологии и ремедиации.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1. Goga, M. Lichen metabolites: an overview of some secondary metabolites and their biological potential / M. Goga, J. Elečko, M. Marcinčinová [et al.]. – Springer International Publishing : Reference Series in Phytochemistry, 2020. – P. 175–209.
2. Beckett, R. P. Improved photoprotection in melanized lichens is a result of fungal solar radiation screening rather than photobiont acclimation / R. P. Beckett, K. A. Solhaug, Y. Gauslaa, F. Minibayeva // The Lichenologist. – 2019. – Vol. 51. – № 5. – P. 483–491.
3. Leksin, I. Ultraviolet-induced melanisation in lichens: physiological traits and transcriptome profile / I. Leksin, M. Shelyakin, I. Zakhozhiy [et al.] // Physiologia Plantarum. – 2024. – Vol. 176. – № 5. – P. e14512.
4. Minibayeva, F. V. Protective properties of melanin from lichen Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. in models of oxidative stress in skeletal muscle / F. V. Minibayeva, A. E. Rassabina, G. F. Zakirjanova [et al.] // Fitoterapia. – 2024. – Vol. 177. – P. 106127.
5. Rassabina, A. E. Melanin from the lichens Cetraria islandica and Pseudevernia furfuracea: structural features and physicochemical properties / A. E. Rassabina, O. P. Gurjanov, R. P. Beckett, F. V. Minibayeva // Biochemistry. – 2020. – Vol. 85. – P. 623–628.
6. Dogan, S. A. Redox signaling and stress in inherited myopathies / S. A. Dogan, G. Giacchin, E. Zito, C. Viscomi // Antioxidants & Redox Signaling. – 2022. – Vol. 37. – № 4–6. – P. 301–323.
7. Korytowski, W. Antioxidant action of neuromelanin: the mechanism of inhibitory effect on lipid peroxidation / W. Korytowski, T. Sarna, M. Zarba // Archives of Biochemistry and Biophysics. – 1995. – Vol. 319. – № 1. – P. 142–148.
8. Mokrzynski, K. Photoreactivity and phototoxicity of experimentally photodegraded hair melanosomes from individuals of different skin phototypes / K. Mokrzynski, M. Sarna, T. Sarna // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. – 2023. – Vol. 243. – P. 112704.
9. Kalinowska, R. Parietin in the tolerant lichen Xanthoria parietina (L.) Th. Fr. increases protection of Trebouxia photobionts from cadmium excess / R. Kalinowska, M. Bačkor, B. Pawlik-Skowrońska // Ecological Indicators. – 2015. – Vol. 58. – P. 132–138.
10. Daminova, A. G. The roles of the anthraquinone parietin in the tolerance to desiccation of the lichen Xanthoria parietina: physiology and anatomy of the pale and bright-orange thalli / A. G. Daminova, I. Y. Leksin, V. R. Khabibrakhmanova [et al.] // International Journal of Molecular Sciences. – 2024. – Vol. 25. – № 13. – P. 7067.
11. Kohlhardt-Floehr, C. Prooxidant and antioxidant behaviour of usnic acid from lichens under UVB-light irradiation-studies on human cells / C. Kohlhardt-Floehr, F. Boehm, S. Troppens [et al.] // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. – 2010. – Vol. 101. – № 1. – P. 97–102.
