Сумчатые — ключ к открытию происхождения обогревательных органов у млекопитающих

Фото из открытых источников

Около 100 миллионов лет назад замечательный эволюционный сдвиг позволил плацентарных млекопитающих диверсифицироваться и завоевать многие холодные регионы нашей планеты. Новое исследование Стокгольмского университета показывает, что типичный нагревательный орган млекопитающих, бурый жир, развился исключительно у современных плацентарных млекопитающих.

В сотрудничестве с Мюнхенским музеем имени Гельмгольца и Берлинским музеем естественной истории, а также Университетом Восточной Англии в Великобритании, стокгольмская исследовательская группа продемонстрировала, что сумчатые, наши дальние родственники, обладают не полностью развитой формой бурого жира. Они обнаружили, что основной белок, производящий тепло, под названием UCP1, стал активным после расхождения плацентарных и сумчатых млекопитающих. Это открытие имеет решающее значение для понимания роли бурого жира в эволюции млекопитающих, эндотермии и метаболизме.

«Наше исследование является важным вкладом в понимание происхождения и регулирования бурого жира», — говорит Сюзанна Кейперт, соавтор исследования. «Энергопотребляющая функция бурого жира находится в центре внимания медицинских исследований из-за его потенциала в борьбе с ожирением, диабетом и кардиометаболическими заболеваниями; все они достигли масштабов пандемии и представляют собой одну из самых больших угроз для нашей системы здравоохранения».

Эта работа знаменует собой последнюю веху в деятельности лаборатории Ястроха Стокгольмского университета, которая стала пионером в исследовании эволюции тепловыделения млекопитающих и интегрировала эти эволюционные идеи в понимание метаболических заболеваний человека.

Новое исследование «Двухэтапная эволюция термогенеза жировой ткани млекопитающих», опубликованное в журнале Science, показывает:

• что сумчатый ген UCP1 активно транскрибируется в жировой ткани молодых опоссумов в критический период развития, когда они впервые покидают свою мать и испытывают холодовой стресс. Это похоже на рождение плацентарных млекопитающих, когда большинству младенцев бурый жир необходим для регулирования температуры тела.  
• что во время транскрипции UCP1 у сумчатых присутствуют многие, но не все гены, обычно экспрессируемые в буром жире. Это указывает на то, что сумчатые не обладают полностью развитой бурой жировой тканью, характерной для плацентарных млекопитающих.
• что белок-нагреватель UCP1 не производит тепло у сумчатых, что позволяет предположить, что эта протоформа бурого жира лишена термогенной функции. Однако функция сумчатого UCP1 еще предстоит выяснить.

«Эти данные свидетельствуют о том, что генные сети, необходимые для термогенеза, существовали до расхождения сумчатых и плацентарных млекопитающих. Однако ключевой белок UCP1 развил свою способность производить тепло только после отделения от сумчатых», — объясняет Мартин Ястрох.

Почему важно изучать генеалогическое древо млекопитающих, чтобы расшифровать происхождение бурой жировой ткани?

«Чтобы выяснить происхождение бурого жира, мы не можем использовать машину времени. Однако, изучая живые виды, которые разошлись в разные моменты эволюционной истории, мы можем определить, какие из них имеют бурую жировую ткань и какие компоненты механизма выработки тепла присутствуют. Сумчатые отделились от плацентарных млекопитающих около 120-180 миллионов лет назад. Если бы у сумчатых был функциональный бурый жир и его термогенный белок, это означало бы, что этот орган существовал до этого разделения. Поскольку этого не происходит, вероятно, оно развилось позже», — говорит Сюзанна Кейперт.

Используя биоинформационные инструменты на основе информации о последовательностях UCP1 от многих животных, исследователи реконструировали древний UCP1 стволового плацентарного млекопитающего, который мог существовать около 110 миллионов лет назад. Они обнаружили, что этот древний белок мог производить тепло, что указывает на наличие выделяющего тепло бурого жира у предков плацентарных млекопитающих, но не раньше. Это нововведение, вероятно, позволило плацентарным млекопитающим процветать в новых холодных условиях.

Факты о буром жире:

Что делает этот уникальный орган-нагреватель?

Бурый жир — уникальный нагревательный орган плацентарных млекопитающих, производящий тепло посредством белка, называемого разобщающим белком 1 (UCP1). Белок UCP1 превращает митохондрии, являющиеся электростанциями клеток, в маленькие нагревательные единицы, которые напрямую преобразуют жир и сахар в тепло.

Почему важно, чтобы бурый жир рассеивал энергию в виде тепла?

Бурый жир позволяет новорожденным плацентарных млекопитающих, в том числе младенцам человека, пережить холодовой стресс после выхода из теплой матки. Это помогает поддерживать температуру тела на холоде, так как незрелая мышца не может достаточно дрожать. В более позднем возрасте бурый жир может защитить от метаболических осложнений, сжигая излишки жира и сахара. Понимание того, как работает бурый жир, имеет решающее значение для разработки терапевтических мер при метаболических нарушениях.