Анализ первого полностью секвенированного генома сибирского хомяка показывает, как эти маленькие сезонные заводчики адаптируют свое тело и потребление энергии, чтобы пережить зиму.
Исследование, опубликованное на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, также включает транскриптомный анализ экспрессии генов в мозге как в летних, так и в зимних условиях, который выявляет каскад сигналов, которые готовят хомяка к зиме., вызванный уменьшением продолжительности дня.
Сибирский хомяк (Phodopus sungorus) является модельным организмом для изучения сезонных биологических ритмов. Они размножаются весной и в начале лета, но с приближением осени и сокращением дня их тела резко меняются. Хомячки теряют почти половину своего веса, в основном за счет жира, и ограничивают потребление пищи на 30-40%. Они не впадают в спячку, а умеренно снижают температуру своего тела в дневное время для экономии энергии. Их мех утолщается и меняет цвет на совершенно белый, и они становятся бесплодными, пока не начинают менять курс, чтобы подготовиться к следующему сезону размножения.
Новое исследование показывает, что одного изменения длины дня было достаточно, чтобы вызвать эти изменения, независимо от температуры или количества доступной пищи.
«Мы надеемся, что это будет инструментом для открытий и дальнейших исследований действительно интересной биологической загадки, а именно того, как организмы ориентируются в энергетическом ландшафте природы в течение года», - сказал Брайан Прендергаст, доктор философии, профессор. психолога в Чикагском университете и один из авторов исследования.
Исследование является совместным проектом со старшим автором Тайлером Стивенсоном, доктором философии, бывшим постдокторантом в лаборатории Прендергаста, ныне работающим на факультете Университета Глазго. Стивенсон работал с Риюэ Бао, доктором философии, из группы биоинформатики Центра исследований информатики Калифорнийского университета в Чикаго, чтобы собрать и проанализировать геном и транскриптом хомяка или молекулы РНК, экспрессируемые его генами, чтобы понять активность этих генов в мозге как летом, так и летом. и зимние условия.
'Просто вопрос соединения точек'
Исследователи сосредоточились на активности гипоталамуса, части мозга, которая инициирует ряд важных метаболических процессов, таких как высвобождение гормонов, передача сигналов щитовидной железе и контроль температуры тела, голода и сна. Современная наука довольно хорошо понимает, как эти процессы поддерживают вес в краткосрочной перспективе за счет аппетита, потребления пищи и расхода энергии. Для нового исследования исследователи хотели увидеть, как животные, такие как сибирский хомяк, сохраняют вес в долгосрочной перспективе в годовом цикле.
Стивенсон и Бао работали вместе, чтобы интерпретировать данные о том, как экспрессируются гены, ища различия между образцами, взятыми у хомяков в летний и зимний периоды. Как только Бао заметила эти различия и определила, какие биологические процессы могут быть затронуты, она обратилась к Стивенсону за подтверждением.
Они сосредоточились на гене под названием pomc. В течение многих лет ученые предполагали, что он участвует в долгосрочной регуляции веса и энергетического баланса у многих животных, но «загадкой были шаги, которые контролируют экспрессию pomc», - сказал Стивенсон. «Исследования, которые мы разработали, служили для заполнения пробелов, и это было просто вопросом соединения точек».
Эта цепочка событий начинается с гормона щитовидной железы, который называется Т4. Гормон Т4 легко доступен в кровотоке, и когда весной количество дневного света начинает увеличиваться, хомяк вырабатывает ферменты, называемые дейодиназами. Эти ферменты удаляют молекулу йода из T4 и превращают ее в более мощный гормон под названием T3, который контролирует активность pomc.
В течение лета повышенная выработка Т3 позволяет хомячкам стать плодовитыми, а также повышает их активность, заставляя их набирать вес. По мере того, как осенью дни укорачиваются, производство Т3 снижается, что прекращает воспроизводство на предстоящую зиму. Пониженный Т3 также подавляет или выключает pomc, что приводит к резкой потере веса.
Стивенсон также сравнил геном сибирского хомяка с другими мелкими млекопитающими, такими как мыши и полевки. Он заметил много различий между животными в паттернах последовательностей или мотивах в промоторной области гена pomc. Этот участок ДНК в начале последовательности гена играет важную роль в том, как он транскрибируется в РНК и, в конечном итоге, в том, как функционирует ген. Сибирский хомяк разделяет тот же мотив с другими сезонными заводчиками, предполагая, что это ключ к тому, как pomcis выражается, чтобы управлять летне-зимней адаптацией.
«Все животные демонстрируют определенный уровень сезонной биологии, включая людей. Наши результаты показывают, что у хомяков гормоны щитовидной железы, действующие в мозге, где экспрессируется pomc, обеспечивают долгосрочную регуляцию энергетического баланса», - Стивенсон. сказал.
Что совершенно удивительно, так это то, что этот процесс развивался у некоторых животных, таких как хомяки и полевки, и не развивался у других, таких как овцы или люди. Это говорит нам о том, что у животных существует большая степень изменчивости генома, и указывает на сильный видоспецифический контроль долгосрочного энергетического баланса», - сказал он.
'Чудесная головоломка'
В отдельной серии экспериментов исследователи также ограничили количество пищи для хомяков. Хотя это вызвало некоторые изменения в химическом составе мозга, это не повлияло на экспрессию pomce. На pomc влияли только долгосрочные изменения длины дня.
Прендергаст говорит, что подобные модели делают сибирских хомяков интересными не только тем, как они справляются с сезонной адаптацией, но и тем, как они управляют массой тела в целом.
«Исследователи, изучающие ожирение, должны обратить внимание на эту модель, потому что это животное обратимо становится тучным. Затем оно может потерять почти половину своего веса по сигналу, когда продолжительность дня говорит о том, что пришло время похудеть», - он сказал. «Это замечательная головоломка для понимания всех этих процессов».