Контакты: Ник Хаутман, 207-581-3777, [email protected]; Брюс Сиделл, 207-581-4381, [email protected].
Недавние результаты исследовательской группы Университета штата Мэн, специализирующейся на биологии рыб, генетике и химии белков, проливают свет на эволюцию жизни в самом холодном океане в мире. Полученные данные начинают отвечать на вопросы о том, как антарктические ледяные рыбы эволюционировали, чтобы процветать в экстремальных условиях, несмотря на генетические мутации, которые, вероятно, обрекли бы их в другом месте.
Работа позволила получить новую информацию о взаимодействии жизни и окружающей среды и привлекла внимание медицинских исследователей, которым необходимо понять, как клетки реагируют на стресс и болезни. В рамках проекта также было проведено отдельное исследование распада белков, приводящего к порче мяса рыбы, что имеет большое значение для отрасли переработки морепродуктов.
Соавторы включают Брюса Сиделла, физиолога и директора Школы морских наук, а также Майкла Вайду и Роберта Кашона из отдела биохимии, молекулярной биологии и микробиологии. Среди студентов, участвующих в исследовании, Кристин О'Брайен, Тереза Гроув и Дина Смолл. Два выпускника UMaine, работающие над проектом в качестве технических специалистов, - Лори Костелло и Том Мойлан.
Ранние годы Команда фокусируется на ледяной рыбе, одном из шести семейств рыб Антарктики. Эта группа развивалась в относительной изоляции в течение последних 25-40 миллионов лет и сегодня доминирует в Южном океане вокруг Антарктиды.
«В первые годы наша работа была сосредоточена вокруг вопросов энергетического метаболизма, - говорит Сиделл. «Мы хотели добраться до основных механизмов, которые обеспечивают нормальное функционирование клеток при очень низких температурах. Низкие температуры сдерживают многие биологические процессы. Нам было интересно понять, как эти рыбы процветают при температуре тела около нуля градусов по Цельсию на протяжении всей своей истории жизни». Сиделл и его аспиранты изучали такие темы, как скорость прохождения кислорода через ткани и изменения мышечных клеток при длительном воздействии низких температур. Их работа поддерживается грантами Антарктической программы Национального научного фонда. Продолжительные поездки на юг принесли им медаль за службу в Антарктике, которая присуждается за более чем 30 часов работы ниже 60 градусов южной широты. «Похоже, адаптация к низким температурам включает какую-то генетическую программу. Это очень похоже на изменение экспрессии генов, которое происходит при тренировках на выносливость или при некоторых болезненных состояниях», - объясняет Сиделл. «Скорее всего, когда вы видите что-то подобное, здесь есть сигнал. Вполне может быть, что сигнал у этих рыб, адаптирующихся к низким температурам, точно такой же, как и при тренировках на выносливость и при диабетической миопатии. Никто не знает, что это такое. И, возможно, вы сможете получить ответ прямо и четко, используя эту модель».
Функция сердца
В начале 1990-х они переключили передачу, чтобы сосредоточиться на связанной тайне. Оказалось, что по мере эволюции ледяной рыбы на протяжении тысячелетий некоторые виды утратили способность производить два химических вещества, жизненно важных для большинства животных. Этими соединениями являются гемоглобин, переносчик кислорода в эритроцитах, и миоглобин, который содержится в мышцах. Что-то в ледяной рыбе позволяет им обходиться без гемоглобина. До середины 1980-х годов считалось, что то же самое верно для всех видов миоглобина.
Миоглобин находится в высоких концентрациях в сердце и других активно работающих мышцах. Он придает говядине красный цвет. Он играет решающую роль в качестве хранилища кислорода, необходимого мышцам во время стресса. Хотя ученые знают о миоглобине уже много лет, им еще предстоит полностью понять, как он работает.
Оказывается, ледяная рыба является особенно полезной моделью для изучения роли миоглобина в сердце. «Следяные рыбы абсолютно уникальны среди всех позвоночных животных по физиологии сердечно-сосудистой системы», - говорит Сиделл. «Если вы посмотрите на кровь этих животных, она будет мутно-серого опалесцирующего цвета. В мире нет других видов позвоночных, которые во взрослом состоянии не экспрессируют гемоглобин или эритроциты. У них также есть некоторые довольно драконовские изменения в их сердечно-сосудистой системе, которые, по-видимому, компенсируют отсутствие способности связывать кислород. У них очень большие сердца, большие объемы крови и очень высокий сердечный выброс».
Поскольку виды ледяных рыб были впервые описаны в научной литературе в начале 1950-х годов, данные свидетельствуют о том, что у всех 15 из них отсутствует миоглобин. В середине 1980-х ученые сообщили об обнаружении химического вещества у двух видов. Этот отчет был воспринят скептически, и Сиделл был среди скептиков. Его мнение изменилось во время исследовательской поездки в Антарктику в начале 1990-х годов.
«Мы поймали вид ледяной рыбы, которого видим не очень часто, и решили взять это конкретное животное для некоторых экспериментов с тканями. Мы вскрыли его, и поскольку в нем нет ни гемоглобина, ни эритроцитов, все действительно бледное. И там, в грудной полости животного, находился очень розовый сердечный желудочек. «Я был очень взволнован. Мне удалось уговорить врача на станции Палмер (в Антарктиде) достаточно насторожиться, чтобы принести хирургический светильник и сделать несколько снимков». В течение следующих нескольких месяцев Сиделл и его коллеги провели серию тестов, которые подтвердили, что миоглобин действительно присутствует. Это открытие подняло ряд важных вопросов. Были ли они у других видов ледяных рыб? Является ли он необходимым для этих видов, или он сродни человеческому аппендиксу, ненужному эволюционному артефакту? Если миоглобин действительно важен, то как виды без миоглобина приспособились к его потере? На вопросы нет полного ответа, и действительно, у Вайды и Сиделла есть неразрешенная ставка по вопросу об эволюционных артефактах. На самом деле, говорит Вайда, ответ может быть сложнее, чем они думали. Эксперименты показали, что сердце ледяной рыбы, содержащее миоглобин, сильнее, чем сердце без него.
Однако в условиях глубокого холодного южного океана мутации, приводящие к потере миоглобина, не смертельны. Ледяные рыбы без миоглобина неплохо уживаются, спасибо.
Команда подтвердила, что в ходе эволюции видов ледяных рыб генетические мутации, приводящие к потере миоглобина, произошли независимо друг от друга в четыре разных периода времени. Более того, мутации не идентичны. Другими словами, не существует единственного генетического курильщика, который исключил бы миоглобин из некоторых видов ледяных рыб. Кэшон подтвердил, что миоглобин рыб структурно отличается от миоглобина млекопитающих. Разновидность рыбы более гибкая и, по-видимому, связывает и высвобождает свой запас кислорода быстрее, чем человеческий миоглобин.
Команда опубликовала множество статей о своих выводах, и более половины ученых, запросивших перепечатку этих статей, являются медицинскими исследователями. Например, ученый Медицинской школы Университета Рочестера недавно связался с Сиделлом по поводу работы с миоглобином, которая может быть полезна в исследованиях сердечной физиологии и тканей, страдающих кислородным голоданием. «Если вы посмотрите на большую часть работы, проводимой сейчас над искусственными заменителями крови, она основана на миоглобине. Еще многое предстоит понять о том, как можно изменить структуру миоглобина, чтобы получить различные функциональные характеристики», - говорит Сайд ll.
Функция сердца
В начале 1990-х они переключили передачу, чтобы сосредоточиться на связанной тайне. Оказалось, что по мере эволюции ледяной рыбы на протяжении тысячелетий некоторые виды утратили способность производить два химических вещества, жизненно важных для большинства животных. Этими соединениями являются гемоглобин, переносчик кислорода в эритроцитах, и миоглобин, который содержится в мышцах. Что-то в ледяной рыбе позволяет им обходиться без гемоглобина. До середины 1980-х годов считалось, что то же самое верно для всех видов миоглобина.
Миоглобин находится в высоких концентрациях в сердце и других активно работающих мышцах. Он придает говядине красный цвет. Он играет решающую роль в качестве хранилища кислорода, необходимого мышцам во время стресса. Хотя ученые знают о миоглобине уже много лет, им еще предстоит полностью понять, как он работает.
Оказывается, ледяная рыба является особенно полезной моделью для изучения роли миоглобина в сердце. «Следяные рыбы абсолютно уникальны среди всех позвоночных животных по физиологии сердечно-сосудистой системы», - говорит Сиделл. «Если вы посмотрите на кровь этих животных, она будет мутно-серого опалесцирующего цвета. В мире нет других видов позвоночных, которые во взрослом состоянии не экспрессируют гемоглобин или эритроциты. У них также есть некоторые довольно драконовские изменения в их сердечно-сосудистой системе, которые, по-видимому, компенсируют отсутствие способности связывать кислород. У них очень большие сердца, большие объемы крови и очень высокий сердечный выброс».
Поскольку виды ледяных рыб были впервые описаны в научной литературе в начале 1950-х годов, данные свидетельствуют о том, что у всех 15 из них отсутствует миоглобин. В середине 1980-х ученые сообщили об обнаружении химического вещества у двух видов. Этот отчет был воспринят скептически, и Сиделл был среди скептиков. Его мнение изменилось во время исследовательской поездки в Антарктику в начале 1990-х.
«Мы поймали вид ледяной рыбы, которого видим не очень часто, и решили взять это конкретное животное для некоторых экспериментов с тканями. Мы вскрыли его, и поскольку в нем нет ни гемоглобина, ни эритроцитов, все действительно бледное. И там, в грудной полости животного, находился очень розовый сердечный желудочек. «Я был очень взволнован. Мне удалось уговорить врача на станции Палмер (в Антарктиде) достаточно насторожиться, чтобы принести хирургический светильник и сделать несколько снимков». В течение следующих нескольких месяцев Сиделл и его коллеги провели серию тестов, которые подтвердили, что миоглобин действительно присутствует. Это открытие подняло ряд важных вопросов. Были ли они у других видов ледяных рыб? Является ли он необходимым для этих видов, или он сродни человеческому аппендиксу, ненужному эволюционному артефакту? Если миоглобин действительно важен, то как виды без миоглобина приспособились к его потере? На вопросы нет полного ответа, и действительно, у Вайды и Сиделла есть неразрешенная ставка по вопросу об эволюционных артефактах. На самом деле, говорит Вайда, ответ может быть сложнее, чем они думали. Эксперименты показали, что сердце ледяной рыбы, содержащее миоглобин, сильнее, чем сердце без него.
Однако в условиях глубокого холодного южного океана мутации, приводящие к потере миоглобина, не смертельны. Ледяные рыбы без миоглобина неплохо уживаются, спасибо.
Команда подтвердила, что в ходе эволюции видов ледяных рыб генетические мутации, приводящие к потере миоглобина, произошли независимо друг от друга в четыре разных периода времени. Более того, мутации не идентичны. Другими словами, не существует единственного генетического курильщика, который исключил бы миоглобин из некоторых видов ледяных рыб. Кэшон подтвердил, что миоглобин рыб структурно отличается от миоглобина млекопитающих. Разновидность рыбы более гибкая и, по-видимому, связывает и высвобождает свой запас кислорода быстрее, чем человеческий миоглобин.
В начале 1990-х они переключили передачу, чтобы сосредоточиться на связанной тайне. Оказалось, что по мере эволюции ледяной рыбы на протяжении тысячелетий некоторые виды утратили способность производить два химических вещества, жизненно важных для большинства животных. Этими соединениями являются гемоглобин, переносчик кислорода в эритроцитах, и миоглобин, который содержится в мышцах. Что-то в ледяной рыбе позволяет им обходиться без гемоглобина. До середины 1980-х годов считалось, что то же самое верно для всех видов миоглобина.