Исследователи обнаруживают участки ДНК человека, похожие на участки ДНК зимующих животных. Они могут помочь бороться с болезнями, замедлить старение и однажды позволить совершать длительные космические путешествия.
Иногда то, что кажется научной фантастикой, оказывается ближе, чем мы думаем. В разгар зимы медведь может неделями не двигаться, не есть, не пить воду и не получать никаких повреждений. Ни ваша мышечная масса не ухудшается, ни ваш мозг не проявляет никаких признаков ухудшения. А когда мы просыпаемся, как будто ничего не произошло. Между тем, мы, люди, нуждаемся в постоянной пище, стабильной температуре и медицинской помощи, чтобы такие заболевания, как диабет, болезнь Альцгеймера и сердечный приступ, не сказывались на нас. Однако новое открытие предполагает, что ключи к этой невероятной устойчивости не являются уникальными для зимующих животных: некоторые из них могут быть записаны в нашем собственном геноме.
Два исследования, опубликованные в журнале Science, указывают на то, что «сверхспособности» зимующих — способность останавливать старение, противостоять болезням и переходить в состояния с минимальной энергией на длительные периоды — могут быть активированы у людей. Ключ? Некодирующие области ДНК, которые действуют как переключатели. Эти последовательности, которые сами по себе не являются генами, контролируют включение и выключение других генов, связанных с метаболизмом и выживанием в экстремальных условиях. И что самое удивительное, они есть и у нас.
Общая ДНК с зимующими существами
Одна из наиболее ярких подсказок была обнаружена в известном локусе FTO, области генома человека, которая связана с ожирением. У людей варианты в этом локусе связаны с повышенным риском накопления жира, но у зимующих этот же регион, по-видимому, действует иначе. По мнению исследователей, животные, которые впадают в спячку, не только эффективно накапливают жир, но и используют его в течение длительного времени без еды, избегая негативных последствий.
Ученые идентифицировали специфичные для гибернатора элементы регуляции генов (CREs) вокруг локуса FTO, которые изменяют экспрессию близлежащих генов, таких как Irx3 и Irx5, участвующих в регуляции метаболизма. Согласно научной статьи: «Наши результаты показывают, что цис-элементы, связанные с зимней спячкой, влияют на экспрессию генов и модулируют различные аспекты метаболизма».
Это открытие позволило исследователям создать генетически модифицированных мышей, удалив некоторые из этих последовательностей в их ДНК. Результат был поразительным: у мышей произошли существенные изменения в их метаболизме, способе набора веса и даже в их пищевом поведении. Некоторые мыши набирали больше веса на диете с высоким содержанием жиров; другие демонстрировали более медленный метаболизм или измененную реакцию на голодание и повторное кормление.
Более гибкие биологические часы
Один из наиболее интересных аспектов исследования заключается в том, как спящие, по-видимому, эволюционировали, теряя определенные генетические «ограничения», которые ограничивают нашу метаболическую гибкость. Вместо того, чтобы иметь фиксированный темп потребления энергии, как у людей, их тела могут снижать метаболическую активность почти до минимума и возобновлять ее при необходимости. Исследователи объясняют, что большинство генетических изменений, обнаруживаемых в спящих режимах, «не дают новой функции, а скорее нарушают предыдущие функции». Это говорит о том, что ключом к их адаптации может быть устранение тормозов, а не добавление новых возможностей.
Этот принцип является ключом к представлению будущих биомедицинских сценариев. Что, если удастся временно отключить определенные области генома человека, которые регулируют активный метаболизм? Мы могли бы перейти в энергосберегающие состояния, похожие на зимнюю спячку, снижая активность тела и мозга без повреждения клеток. Эта идея — не просто научное любопытство: она была бы полезным инструментом для лечения дегенеративных заболеваний, предотвращения мышечной атрофии в периоды неподвижности и, в долгосрочной перспективе, для исследования длительных космических путешествий.
Генетическая основа будущего человека
Исследование вышло за рамки общего генетического анализа. В ходе точной работы с использованием множества геномных методов у млекопитающих были идентифицированы тысячи высококонсервативных участков ДНК, которые претерпевают ускоренные изменения только у зимующих видов. Эти области пересекаются с так называемыми «генами-концентраторами», центральными узлами в сетях коэкспрессии, которые координируют большие молекулярные изменения во время таких состояний, как голодание и повторное кормление.
В этом контексте гипоталамус выступает в качестве критического командного центра, регулирующего такие функции, как аппетит, температура тела, активность и расход энергии. В ходе исследования было замечено, что после периодов голодания с последующим повторным введением пищи гипоталамус мышей демонстрировал значительные изменения в экспрессии более 10 000 генов. Многие из этих областей генетического контроля совпадали с теми, которые изменились в ходе эволюции спящих.
От нейрозащиты к здоровому старению
Еще один важный момент заключается в том, что зимовщики не просто переживают голодание: они делают это, не страдая когнитивными нарушениями, мышечной атрофией или повреждением своих органов. Они возвращаются в свое нормальное состояние быстро и эффективно, что для человека было бы немыслимо. Фактически, было замечено, что процесс зимней спячки может обратить вспять нейронные нарушения, сравнимые с нарушениями при болезни Альцгеймера. По словам участников исследования: «Спящие демонстрируют уникальные способности к долголетию, нейропротекции, синаптической регенерации и разрешению тауопатий».
Это открытие ставит спящих в биологические модели для изучения того, как противостоять старению, предотвращать разрушение нейронов и улучшать восстановление после травм и операций. Если эти способности связаны с генетическими элементами, которые также присутствуют, хотя и неактивны, у людей, путь к специфической генной или фармакологической терапии становится намного более жизнеспособным.
А как насчет космических путешествий?
Спячка — одна из теоретических основ межзвездных путешествий. В научной фантастике экипажи помещают в «криогенный сон», чтобы выдержать годы или десятилетия путешествий. Но помимо вымысла, контролируемая спячка снизит метаболические потребности, предотвратит атрофию мышц и минимизирует психологические последствия длительного заключения.
Хотя мы еще далеки от применения этих методов к людям, это исследование является конкретным шагом: оно демонстрирует, что генетические инструменты для достижения этой цели уже могут быть в нашей ДНК. Нам просто нужно научиться их активировать. Как утверждают авторы, «у людей уже есть генетическая основа; вам просто нужно определить переключатели управления для этих черт, присущих спящим».
Исследования:
doi.org/10.1101/2024.06.26.600891
doi.org/10.1101/2024.06.26.600851
