Поскольку морские млекопитающие эволюционировали, сделав воду своей основной средой обитания, они утратили способность вырабатывать белок, который защищает людей и других наземных млекопитающих от нейротоксического действия популярного искусственного пестицида, согласно новому исследованию Медицинская школа Университета Питтсбурга.
Последствия этого открытия, о котором было объявлено сегодня в журнале Science, побудили исследователей призвать к мониторингу наших водных путей, чтобы узнать больше о воздействии пестицидов и сельскохозяйственных стоков на морских млекопитающих, таких как дельфины, ламантины, тюлени и киты.. Исследование также может пролить дополнительный свет на функцию гена, кодирующего этот белок, у людей.
Нам необходимо определить, действительно ли морские млекопитающие подвергаются повышенному риску серьезного неврологического повреждения от этих пестицидов, потому что у них нет биологической способности расщеплять их, или они каким-то образом приспособились, чтобы избежать такого повреждения. пока еще не открытым способом», - сказал старший автор Натан Л. Кларк, доктор философии, доцент кафедры вычислительной и системной биологии Питтсбурга и Питтсбургского центра эволюционной биологии и медицины. «В любом случае, это случайная находка, ставшая результатом научного исследования, основанного на любопытстве. Это помогает нам понять, что делают наши гены, и какое влияние на них может оказывать окружающая среда».
Кларк и ведущий автор Винн К. Мейер, доктор философии, научный сотрудник его лаборатории, знали из предыдущих исследований, проведенных другими учеными, что некоторые гены, отвечающие за обоняние и вкус, утратили свою функцию в ходе эволюции морских млекопитающих. Они решили выяснить, какие другие гены, сохранившиеся у наземных млекопитающих, утратили свою функцию у морских млекопитающих.
Проанализировав последовательности ДНК пяти видов морских млекопитающих и 53 видов наземных млекопитающих, команда обнаружила, что параоксоназа 1 (PON1) является геном, который лучше всего соответствует схеме потери функции у морских млекопитающих при сохранении функции у все наземные млекопитающие. PON1 даже вытеснил несколько генов, отвечающих за обоняние и вкус, чувства, на которые морские млекопитающие не слишком полагаются.
У людей и других наземных млекопитающих PON1 уменьшает повреждение клеток, вызванное нестабильными атомами кислорода. Он также защищает нас от фосфорорганических соединений, некоторые из которых являются пестицидами, убивающими насекомых, у которых отсутствует PON1, разрушая их нервную систему.
Кларк и Мейер работали с Джозефом Гаспаром, доктором философии, директором по науке и сохранению в Питтсбургском зоопарке и аквариуме PPG, и Робертом К. Бонде, доктором философии, ныне почетным ученым в Университете США. Центр водно-болотных угодий и водных исследований S. Geological Survey для получения образцов крови морских млекопитающих от ученых и биологов-природоохранников из США и других стран. Сотрудники Вашингтонского университета прореагировали на образцы крови нескольких морских млекопитающих с побочным фосфорорганическим продуктом и наблюдали, что произошло. Кровь не расщепляет побочный фосфорорганический продукт, как это происходит у наземных млекопитающих, что указывает на то, что, если морские млекопитающие не защищены другим биологическим механизмом, они будут восприимчивы к «отравлению фосфорорганическими соединениями», форме отравления, которая возникает в результате накопления химических сигналов в организме, особенно в мозгу.
В попытке выяснить, почему морские млекопитающие потеряли функцию PON1, исследователи проследили, когда эта функция была потеряна у трех разных групп морских млекопитающих. Киты и дельфины утратили его вскоре после того, как 53 миллиона лет назад отделились от своего общего предка с бегемотами; ламантины потеряли его после отделения от общего предка со слонами 64 миллиона лет назад. Но некоторые тюлени, вероятно, утратили функцию PON1 совсем недавно, самое большее 21 миллион лет назад и, возможно, совсем недавно.
"Большой вопрос, почему они вообще перестали работать в PON1?" - сказал Мейер. «Трудно сказать, было ли это больше не нужно или это мешало им адаптироваться к морской среде. Мы знаем, что в древней морской среде не было фосфорорганических пестицидов, поэтому мы думаем, что потеря может быть связана с ролью PON1 в в ответ на экстремальный окислительный стресс, вызванный длительными периодами погружений и быстрым всплытием на поверхность. Если мы сможем выяснить, почему у этих видов нет функционального PON1, мы могли бы узнать больше о функции PON1 в здоровье человека, а также раскрыть потенциальные ключи к разгадке помочь защитить морских млекопитающих, подвергающихся наибольшему риску."
В качестве примера возможных реальных последствий потери функции в PON1 исследователи объясняют в своей научной статье, что во Флориде «сельскохозяйственное использование фосфорорганических пестицидов является обычным явлением, и стоки могут стекать в места обитания ламантинов. В округе Бревард, где, по оценкам, мигрируют или сезонно проживают 70 процентов ламантинов Атлантического побережья, сельскохозяйственные угодья часто примыкают к зонам защиты ламантинов и водотокам».
Ученые считают, что следующим шагом будет запуск исследования, в ходе которого непосредственно наблюдают за морскими млекопитающими во время и вскоре после периодов избыточного сельскохозяйственного стока органофосфатов. Такой проект потребует усиленного наблюдения за местами обитания морских млекопитающих, а также тестирования тканей умерших морских млекопитающих на предмет воздействия фосфорорганических соединений. По словам Кларка, самой последней оценке уровня органофосфатов в местах обитания ламантинов во Флориде, которую удалось найти исследовательской группе, уже десять лет.
«Морские млекопитающие, такие как ламантины или дельфины-афалины, являются видами-стражами, такими как канарейка в угольной шахте», - сказал Кларк. «Если вы будете следить за их здоровьем, это многое скажет вам о потенциальных экологических проблемах, которые в конечном итоге могут затронуть людей».
Дополнительными авторами этого исследования являются Джеррика Джеймисон, Рагхавендран Парта, магистр технических наук, Аманда Ковальчик, бакалавр наук, Чарльз Кронк, бакалавр наук, и Мария Чикина, доктор философии, все из Питта; Ребекка Рихтер, бакалавр наук, Юдит Марсиллах, доктор философии, и Клемент Э. Ферлонг, доктор философии, все из Вашингтонского университета; Стейси Э. Вудс, доктор философии, магистр здравоохранения Университета Джона Хопкинса; Дэниел Э. Крокер, доктор философии, Государственный университет Сономы; и Джанет М. Ланион, доктор философии, из Университета Квинсленда.
Это исследование было поддержано грантами Национального института здравоохранения R01HG009299, U54 HG008540 и T32 EB009403. Сотрудников поддержали фонды Подарочного фонда биотехнологических исследований Вашингтонского университета, Отделение медицинской генетики, и грант 16SDG30300009 Американской кардиологической ассоциации. Образцы морских млекопитающих были собраны на средства Благотворительного фонда Уинифред Вайолет Скотт, Фонда исследований и спасения морского мира и Геологической службы США.