«Суперспособности» впадающих в спячку животных могут быть скрыты в ДНК человека

Животные, впадающие в спячку, невероятно выносливы. Они могут месяцами обходиться без еды и воды, их мышцы не атрофируются, температура тела падает почти до нуля, а обмен веществ и мозговая активность замедляются до минимума. Выходя из спячки, они восстанавливаются после опасных изменений в здоровье, подобных тем, что наблюдаются при диабете 2 типа, болезни Альцгеймера и инсульте.

Новые генетические исследования показывают, что сверхспособности животных, впадающих в спячку, могут быть скрыты в нашей ДНК, и дают подсказки о том, как их раскрыть, открывая путь к разработке методов лечения, которые смогут обратить вспять нейродегенерацию и диабет. Два исследования, описывающие результаты, опубликованы в журнале Science.

Исследователи обнаружили, что кластер генов, называемый «локусом жировой массы и ожирения (FTO)», играет важную роль в способностях животных, впадающих в спячку. Интересно, что эти гены есть и у людей.

«В этом регионе поразительно то, что он является самым сильным генетическим фактором риска ожирения у человека», — говорит ведущий автор исследования профессор Крис Грегг из Университета здравоохранения штата Юта. Однако животные, впадающие в спячку, похоже, способны использовать гены в локусе FTO новыми способами, чтобы получить преимущество.

Группа учёных выявила специфические для гибернаторов участки ДНК, расположенные вблизи локуса FTO и регулирующие активность соседних генов, повышая или понижая их. Исследователи предполагают, что регулировка активности соседних генов, в том числе находящихся в локусе FTO или рядом с ним, позволяет гибернаторам набирать вес перед зимовкой, а затем постепенно использовать жировые запасы для получения энергии в течение всей спячки.

Действительно, специфичные для гибернаторов регуляторные области за пределами локуса FTO, по-видимому, играют ключевую роль в регуляции метаболизма. Когда исследователи мутировали эти специфические для гибернаторов области у мышей, они наблюдали изменения в их весе и метаболизме.

Некоторые мутации ускоряли или замедляли набор веса при определенных условиях питания; другие влияли на способность восстанавливать температуру тела после состояния, похожего на спячку, или повышали или понижали общую скорость обмена веществ.

Интересно, что выявленные исследователями участки ДНК, специфичные для гибернаторов, не были генами как таковыми. Вместо этого они представляли собой последовательности ДНК, которые взаимодействуют с соседними генами и регулируют их экспрессию, подобно дирижёру оркестра, настраивающему громкость множества музыкантов.

Это означает, что мутация одного специфичного для гибернаторов региона имеет широкий спектр эффектов, выходящий далеко за пределы локуса FTO, объясняет соавтор одного из исследований Сьюзен Стейнванд из Университета здравоохранения штата Юта.

«Когда вы удаляете один из этих элементов — этот крошечный, на первый взгляд незначительный участок ДНК — активность сотен генов меняется», — говорит она. «Это просто поразительно».

По словам исследователей, понимание метаболической гибкости животных, впадающих в спячку, может привести к разработке более эффективных методов лечения нарушений обмена веществ у людей, таких как диабет 2 типа.

«Если бы мы могли регулировать наши гены немного больше, как это делают животные, впадающие в спячку, возможно, мы смогли бы победить диабет второго типа так же, как животные, впадающие в спячку, возвращаются из спячки к нормальному метаболическому состоянию», — говорит соавтор другого исследования Эллиот Феррис из Университета здравоохранения штата Юта.

Поиск генетических участков, которые могут отвечать за гибернацию, — задача, сравнимая с поиском иголок в огромном стоге ДНК сена. Чтобы сузить круг интересующих участков, исследователи использовали несколько независимых полногеномных технологий, чтобы выяснить, какие из них могут быть связаны с гибернацией. Затем они начали искать совпадения между результатами, полученными с помощью каждого метода.

Сначала они искали последовательности ДНК, общие для большинства млекопитающих, но недавно изменившиеся у животных, впадающих в спячку. «Если участок практически не меняется от вида к виду на протяжении более 100 миллионов лет, но затем быстро и резко меняется у двух млекопитающих, впадающих в спячку, то мы считаем, что это указывает на нечто, важное именно для спячки», — говорит Феррис.

Чтобы понять биологические процессы, лежащие в основе гибернации, исследователи протестировали и идентифицировали гены, активность которых повышается или понижается во время голодания у мышей, что запускает метаболические изменения, аналогичные изменениям в состоянии гибернации. Затем они обнаружили гены, которые действуют как центральные координаторы, или «хабы», этих изменений активности генов, вызванных голоданием.

Многие из участков ДНК, недавно изменившихся у гибернаторов, также, по-видимому, взаимодействовали с этими центральными координирующими генами-хабами. В связи с этим исследователи предполагают, что эволюция гибернации требует специфических изменений в регуляции генов-хабов. Эти регуляции составляют небольшой список элементов ДНК, которые представляют собой направления для будущих исследований.

Большинство изменений в геноме, связанных с гибернацией, по-видимому, «нарушают» функцию определённых участков ДНК, а не создают новую. Это указывает на то, что гибернаторы, возможно, утратили ограничения, которые в противном случае препятствовали бы их чрезвычайной гибкости в контроле метаболизма.

Другими словами, возможно, человеческий «термостат» заточен на узкий диапазон непрерывного потребления энергии. У людей, впадающих в спячку, эта заморозка может быть снята.

Люди, впадающие в спячку, могут обратить вспять нейродегенерацию, избежать мышечной атрофии, оставаться здоровыми, несмотря на резкие колебания веса, а также демонстрировать замедленное старение и большую продолжительность жизни. Исследователи полагают, что их результаты свидетельствуют о том, что у людей, возможно, уже есть необходимый генетический код для проявления подобных сверхспособностей, свойственных людям, впадающим в спячку, — если мы сможем обойти некоторые из наших метаболических переключателей.

«У людей уже есть генетическая база, — говорит Стейнванд. — Нам просто нужно определить механизмы, управляющие этими свойствами гибернаторов». Изучив, как это сделать, исследователи могли бы помочь развить у людей аналогичную устойчивость.

«Понимание механизмов генома, связанных со спячкой, потенциально дает возможность найти стратегии вмешательства и помощи в лечении возрастных заболеваний», — говорит Грегг. «Если это скрыто в нашем геноме, мы могли бы поучиться у животных, впадающих в спячку, как улучшить собственное здоровье».