Медведи гризли много месяцев проводят в спячке, но их мышцы не страдают от недостатка движения. В журнале Scientific Reports команда под руководством Майкла Готтхарда сообщает, как им это удается. Стратегия медведей гризли может помочь предотвратить мышечную атрофию и у людей.
Медведь гризли знает только три сезона в году. Время его активности начинается с марта по май. Примерно в сентябре медведь начинает поедать большие количества пищи. А где-то между ноябрем и январем он впадает в спячку. С физиологической точки зрения это самое странное время из всех. Метаболизм медведя и частота сердечных сокращений быстро падают. Не выделяет ни мочу, ни фекалии. Количество азота в крови резко возрастает, и медведь становится устойчивым к гормону инсулину.
Человек вряд ли смог бы пережить этот четырехмесячный этап в здоровом состоянии. После этого ему или ей, скорее всего, придется справляться с тромбозами или психологическими изменениями. Прежде всего, мышцы будут страдать от этого длительного периода бездействия. Любой, кто когда-либо носил руку или ногу в гипсе в течение нескольких недель или вынужден был долгое время лежать в постели из-за болезни, вероятно, сталкивался с этим.
Немного вяло, но в остальном нормально
Не то, что медведь гризли. Весной медведь просыпается от спячки, может быть, сначала еще немного вялый, но в остальном здоров. Многие ученые давно интересовались стратегиями адаптации медведя к трем временам года.
Группа под руководством профессора Майкла Готтхарда, главы группы нейромышечной и сердечно-сосудистой клеточной биологии в Центре молекулярной медицины Макса Дельбрюка (MDC) в Берлине, теперь исследовала, как мышцы медведя умудряются пережить спячку практически невредимыми. Ученых из Берлина, Грайфсвальда и США особенно интересовал вопрос о том, какие гены в мышечных клетках медведя транскрибируются и превращаются в белки, и какое влияние это оказывает на клетки.
Понимание и копирование трюков природы
«Мышечная атрофия - это реальная человеческая проблема, которая возникает во многих обстоятельствах. Мы до сих пор не очень хорошо умеем ее предотвращать», - говорит ведущий автор исследования, доктор Дуаа Мугахид, когда-то член исследовательской группы Готтхардта. а сейчас исследователь с докторской степенью в лаборатории профессора Марка Киршнера на факультете системной биологии Гарвардской медицинской школы в Бостоне.
«Для меня красота нашей работы заключалась в том, чтобы узнать, как природа усовершенствовала способ поддержания мышечных функций в сложных условиях спячки», - говорит Мугахид. «Если мы сможем лучше понять эти стратегии, мы сможем разработать новые и неинтуитивные методы для более эффективного предотвращения и лечения мышечной атрофии у пациентов."
Секвенирование генов и масс-спектрометрия
Чтобы понять уловки медведей, команда под руководством Мугахида и Готтхарда исследовала образцы мышц медведей гризли как во время, так и между периодами спячки, которые они получили из Университета штата Вашингтон. «Объединив передовые методы секвенирования с масс-спектрометрией, мы хотели определить, какие гены и белки активируются или отключаются как во время, так и между периодами гибернации», - объясняет Готтхардт.
«Эта задача оказалась непростой - ведь не был известен ни полный геном, ни протеом, то есть совокупность всех белков медведя гризли», - говорит ученый MDC. На следующем этапе он и его команда сравнили результаты с наблюдениями за людьми, мышами и червями-нематодами.
Заменимые аминокислоты позволили мышечным клеткам расти
Как сообщили исследователи в журнале Scientific Reports, в своих экспериментах они обнаружили белки, которые сильно влияют на метаболизм аминокислот у медведя во время спячки. В результате его мышечные клетки содержат больше некоторых заменимых аминокислот (NEAA).
«В экспериментах с изолированными мышечными клетками людей и мышей, которые проявляют мышечную атрофию, NEAA также могут стимулировать рост клеток», - говорит Готтхардт, добавляя, что «однако из более ранних клинических исследований известно, что введение аминокислот в виде таблеток или порошков недостаточно для предотвращения мышечной атрофии у пожилых или прикованных к постели людей».
"Очевидно, мышце важно самим производить эти аминокислоты - иначе аминокислоты могут не попасть туда, где они нужны", - рассуждает ученый MDC. Терапевтической отправной точкой, по его словам, может быть попытка заставить мышцы человека самостоятельно производить NEAA путем активации соответствующих метаболических путей с помощью подходящих агентов во время более длительных периодов отдыха..
Образцы тканей лежачих больных
Чтобы выяснить, какие сигнальные пути необходимо активировать в мышцах, Готхардт и его команда сравнили активность генов у медведей гризли, людей и мышей. Требуемые данные были получены от пожилых или лежачих пациентов, а также от мышей, страдающих мышечной атрофией - например, в результате снижения подвижности после наложения гипсовой повязки. «Мы хотели выяснить, какие гены по-разному регулируются у животных, впадающих в спячку, и животных, не впадающих в спячку», - объясняет Готтхардт.
Однако ученые наткнулись на целую серию таких генов. Чтобы сузить круг возможных кандидатов, которые могли бы стать отправной точкой для терапии мышечной атрофии, команда впоследствии провела эксперименты с червями-нематодами. «У червей отдельные гены могут быть относительно легко деактивированы, и можно быстро увидеть, какое влияние это оказывает на рост мышц», - объясняет Готтхардт.
Ген циркадных ритмов
С помощью этих экспериментов его команда обнаружила несколько генов, влияние которых они надеются дополнительно изучить в будущих экспериментах с мышами. К ним относятся гены Pdk4 и Serpinf1, участвующие в метаболизме глюкозы и аминокислот, и ген Rora, способствующий развитию циркадианных ритмов.«Теперь мы изучим последствия деактивации этих генов», - говорит Готтхардт. «В конце концов, они подходят в качестве терапевтических мишеней только в том случае, если есть либо ограниченные побочные эффекты, либо их нет вообще».