Быть человеком-домоседом может значительно увеличить накопление жира, ускорить появление симптомов диабета II типа, привести к вредному химическому составу крови и сердечно-сосудистым изменениям и, в конечном итоге, привести к смерти.
Однако крупные впадающие в спячку медведи эволюционировали, чтобы приспособиться к метаболическим стрессорам, с которыми они сталкиваются каждый год до и во время спячки, и обратить их вспять, чтобы стать невосприимчивыми к этим пагубным последствиям.
Новые генетические исследования, основанные на секвенировании РНК, проведенные в Центре исследований, образования и охраны медведей Вашингтонского государственного университета, показывают, что гризли экспрессируют большее количество генов при подготовке и во время гибернации, чтобы справиться с такими стрессорами, чем у любых других животных. изучаемые виды.
Превосходная степень «король переключения генов» остается верной даже с поправкой на разные размеры выборки, используемые в других исследованиях гибернации.
Работа проводилась в Пуллмане, штат Вашингтон, где находится единственная в мире университетская популяция гризли, содержащаяся в неволе. Он был опубликован 13 сентября в Communications Biology, публикации Springer Nature. Ученые WSU сделали биопсию мышц, печени и жировой ткани для исследования.
Все начинается с чудес спящего режима
На протяжении веков люди были очарованы различными видами, которые, как известно, впадают в спячку. Писатели-фантасты описывают фантастические космические путешествия и состояния гибернации, используемые людьми. Кома, вызванная медицинскими препаратами, помогает людям преодолеть экстраординарные травматические или болезненные состояния, органы охлаждают для хранения и транспортировки, и ученые продолжают задаваться вопросом, можно ли вызвать гибернацию в качестве терапевтического инструмента. Было изучено большое количество видов, в том числе те, которые «впадают в спячку» в теплые месяцы, и те, которые впадают в спячку зимой, и температура тела которых иногда может опускаться почти до точки замерзания. Но не медведи. Медведи больше похожи на людей.
В отличие от того, что некоторые считают эквивалентом сна, гибернация - это очень специализированное метаболическое состояние, которое зависит от вида и среды, в которой они впадают в спячку. Механизм зимней спячки у всех исследованных видов контролируется экспрессией их генов.
«У медведей и других впадающих в спячку циклов есть циклы сна и бодрствования, но они различаются как по типу сна, так и по частоте, с которой они происходят», - сказал профессор Хайко Янсен, ведущий автор статьи.
У гризли наблюдаемые детали зимней спячки поразительны. Во время спячки в течение почти пяти месяцев гризли поддерживают лишь слегка пониженную температуру тела и практически не едят, не мочатся и не испражняются. Однако они рожают и производят молоко, и при этом они не теряют значительной костной или мышечной массы. С метаболической точки зрения, во время гибернации они являются конечными переработчиками отходов, которые млекопитающие обычно должны устранять или страдают от токсичности от их накопления.
Исследования, проведенные на людях, показывают, что даже всего 24 часа голодания и прикованности к постели могут привести к измеримым изменениям уровня глюкозы в крови и биохимии, а также к потере костной и мышечной массы. Тем не менее гризли поддерживают почти нормальный уровень глюкозы в крови на протяжении всей спячки. Снижая свою чувствительность к инсулину, медведи могут экономить вырабатываемую ими глюкозу.
Кардиологические исследования гризли, проведенные ранее в WSU, показывают, что во время спячки частота сердечных сокращений медведей может замедляться до 5 ударов в минуту, в среднем от 12 до 15, а консистенция их крови напоминает густую подливу. Их сердце экономит энергию, фактически ограничивая ее перекачку двумя из четырех камер. Тем не менее, стоит напугать гризли, находящегося в спячке, и его сердце за считанные секунды может увеличить скорость до 100 ударов в минуту.
Гризли разработали этот уникальный набор приспособлений, чтобы выжить в суровые зимы, когда не хватает еды. Впадая в спячку, они тратят мало энергии и выживают, рожают и питаются до тех пор, пока пища снова не станет в изобилии.
Экспрессия генов у медведей, впадающих в спячку, поразительна
В то время как другие исследования других видов изучали экспрессию генов в тканях до и во время спячки, работа с гризли до сих пор никогда не проводилась. Результаты WSU, хотя и были несколько ожидаемыми, намного превзошли уровень различной генетической экспрессии, наблюдаемый ранее.
«Количество дифференциально экспрессируемых генов поразительно», - сказала доцент WSU Джоанна Келли.
С помощью секвенирования РНК команда изучила гиперфагию [произносится как HY-per-fay-gee-uh] и последующую спячку у шести медведей. Гиперфагия означает период непосредственно перед зимней спячкой, когда медведи начинают есть в избытке, чтобы накапливать энергию в виде жира. Медведи в это время года по человеческим меркам считаются болезненно тучными.
Среди открытий было то, что все три изученные ткани имели динамические изменения экспрессии генов, происходящие во время гибернации. Возможно, что еще более важно, они обнаружили, что во всех трех тканях существует подмножество одних и тех же генов, производящих одни и те же изменения в одно и то же время.
Жир - это ткань, которая подпитывает спячку и, вероятно, управляет щажением других тканей. Но, несмотря на потребление калорий и накопление жира, медведи не страдают от таких негативных последствий, как люди. Более того, они обращают этот процесс вспять, включая и выключая гены в зависимости от времени года.
Голодание медведя в активное время года, как будто пришло время впасть в спячку, не включает и выключает одни и те же гены, как это происходит поздней осенью. Покормите медведя в спячке, и тогда гены тоже не обманешь; спящий режим продолжается.
«Многие люди предполагали, что когда медведи проходят через гиперфагию, жир просто накапливается и остается там в качестве топливного резервуара», - объяснил Янсен. «На самом деле, наши исследования показали, что жировая ткань далеко не инертна. Жир на самом деле очень метаболически активен благодаря экспрессии более 1000 уникальных генов в жире во время гибернации по сравнению с уровнем экспрессии, наблюдаемым во время нормальной сезонной активности..
«Какова роль жира в общем процессе гиперфагии и гибернации, остается захватывающей областью для дальнейшего изучения».
Янсен продолжал объяснять, что во время активного периода и последующей гиперфагии генетическая экспрессия различалась в разных исследованных тканях. В то время как многие гены в жировой ткани экспрессировались по-разному, в мышечной ткани ни один ген не экспрессировался так, как в мышечной ткани, и только три гена по-разному экспрессировались в ткани печени.
Дифференциальная экспрессия генов также означает, что гены могут активироваться или подавляться в зависимости от гена, что-то вроде включения или выключения панели выключателей света. Из генов, экспрессируемых в жировой ткани, более 2000 были активизированы, а около 1800 подавлены в период гибернации по сравнению с активным сезоном..
"Наблюдение за тем, как одни и те же наборы генов в разных тканях активируются или подавляются, что лучше всего служит животному в одно и то же время, предполагает, что может существовать общий механизм управления процессом, делающий этот процесс более "по требованию" регулирования», - сказал Келли.