灰熊在冬眠前和冬眠期間表現(xiàn)出顯著的基因控制

作為人類沙發(fā)土豆可以大大增加脂肪堆積，加速II型糖尿病癥狀的發(fā)作，導(dǎo)致有害的血液化學(xué)和心血管變化，并最終導(dǎo)致一個(gè)人的死亡。

然而，像熊這樣的大型冬眠者已經(jīng)進(jìn)化到適應(yīng)和逆轉(zhuǎn)他們每年在冬眠前和冬眠期間面臨的類似代謝應(yīng)激物，基本上對(duì)這些不良影響免疫。

在華盛頓州立大學(xué)貝爾研究，教育和保護(hù)中心進(jìn)行的基于RNA測(cè)序的新基因研究表明，灰熊表達(dá)的大量基因在準(zhǔn)備和休眠期間應(yīng)對(duì)這些壓力因素，比其他任何研究的物種都要多。

當(dāng)校正其他冬眠研究中使用的不同樣本大小時(shí)，基因王切換最高級(jí)甚至成立。

這項(xiàng)工作是在華盛頓的普爾曼進(jìn)行的，這里是世界上唯一一所以大學(xué)為基地的俘虜灰熊種群。它于9月13日發(fā)表在Springer Nature出版物“ 通訊生物學(xué) ”雜志上。WSU科學(xué)家對(duì)這項(xiàng)研究的肌肉，肝臟和脂肪組織進(jìn)行了活組織檢查。

它始于冬眠的奇跡

幾個(gè)世紀(jì)以來，人們對(duì)已知冬眠的各種物種著迷?？苹米骷颐枋隽伺c人類一起使用的夢(mèng)幻太空之旅和冬眠狀態(tài)。醫(yī)學(xué)誘導(dǎo)的人類昏迷使他們超越了特殊的創(chuàng)傷或疾病狀態(tài)，器官被冷卻儲(chǔ)存和運(yùn)輸，科學(xué)家們不斷懷疑是否可以誘導(dǎo)冬眠作為一種治療工具。已經(jīng)研究了各種各樣的物種，包括那些在溫暖月份“冬眠”的物種和冬季冬眠并且體溫有時(shí)會(huì)降至接近冰點(diǎn)的物種。但不是熊。熊看起來更像人類。

與一些假設(shè)的睡眠等效物不同，冬眠是一種非常特殊的代謝狀態(tài)，它根據(jù)物種和它們冬眠的環(huán)境而變化。所研究的所有物種的冬眠機(jī)制都受其基因表達(dá)的控制。

“熊和其他冬眠者有睡眠和覺醒周期，但這些都與睡眠類型和發(fā)生頻率不同，”該論文的第一作者Heiko Jansen教授說。

有了灰熊，可觀察到的冬眠細(xì)節(jié)令人震驚。在近六個(gè)月的冬眠期間，灰熊只保持略低的體溫，基本上不吃，排尿或排便。然而，他們確實(shí)分娩和生產(chǎn)牛奶，并且他們不會(huì)失去顯著的骨骼或肌肉質(zhì)量。在代謝方面，在冬眠期間，它們是哺乳動(dòng)物通常必須消除或遭受其累積毒性的廢物的最終回收者。

對(duì)人體進(jìn)行的研究表明，即使只有24小時(shí)的禁食和限制床也會(huì)導(dǎo)致可測(cè)量的血糖和化學(xué)變化以及骨骼和肌肉的損失?；倚茈m然在整個(gè)冬眠期間保持接近正常的血糖水平。通過降低對(duì)胰島素的敏感性，熊可以保存它們產(chǎn)生的葡萄糖。

之前在華盛頓州立大學(xué)進(jìn)行的灰熊心臟病研究表明，在冬眠期間，熊的心率可以降至每分鐘5次以下，平均為12至15次，而血液的稠度類似于濃稠的肉汁。他們的心臟基本上將泵送限制在其四個(gè)腔室中的兩個(gè)腔室中，從而節(jié)省能量。然而，驚嚇一個(gè)冬眠的灰熊，它可以在幾秒鐘內(nèi)將心臟每分鐘旋轉(zhuǎn)100次。

灰熊隊(duì)開發(fā)了這種獨(dú)特的適應(yīng)性，以便在食物稀缺時(shí)度過艱苦的冬天。通過冬眠，他們消耗很少的能量，生存，分娩和護(hù)理，直到食物再次變得豐富。

冬眠熊的基因表達(dá)非常顯著

雖然其他物種的其他研究已經(jīng)研究了冬眠前和冬眠期間組織中的基因表達(dá)，但迄今為止的工作從未在灰熊中完成。WSU的結(jié)果雖然有些預(yù)期，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了之前看到的不同遺傳表達(dá)水平。

“差異表達(dá)基因的數(shù)量驚人，”WSU副教授Joanna Kelley說。

通過對(duì)RNA進(jìn)行測(cè)序，研究小組研究了六頭熊的食欲過盛[發(fā)音為HY-per-fay-gee-uh]和隨后的冬眠。Hyperphagia意指在冬眠之前，當(dāng)熊開始進(jìn)食過量以便將能量?jī)?chǔ)存為脂肪時(shí)。根據(jù)人類標(biāo)準(zhǔn)，每年這個(gè)時(shí)候的熊將被視為病態(tài)肥胖。

在這些發(fā)現(xiàn)中，所研究的所有三種組織都具有在冬眠期間發(fā)生的動(dòng)態(tài)基因表達(dá)變化。也許更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)在所有三種組織中都有相同基因的子集同時(shí)發(fā)生相同的變化。

脂肪是促進(jìn)冬眠的組織，可能協(xié)調(diào)其他組織的保留。但是，盡管攝入了卡路里和脂肪，但熊并沒有遭受與人類相同的負(fù)面影響。此外，他們通過根據(jù)季節(jié)打開和關(guān)閉基因來逆轉(zhuǎn)這一過程。

在活躍的季節(jié)禁食熊似乎是時(shí)候進(jìn)行冬眠不會(huì)使同樣的基因像秋末一樣開啟和關(guān)閉。在冬眠中喂熊，基因也不能被愚弄; 冬眠仍在繼續(xù)。

“許多人認(rèn)為，當(dāng)熊經(jīng)歷食欲過盛時(shí)，脂肪就會(huì)積聚并作為燃料儲(chǔ)存器存在，”Jansen解釋說。“事實(shí)上，我們的研究表明脂肪組織遠(yuǎn)非惰性。與正常季節(jié)性活動(dòng)期間的表達(dá)水平相比，脂肪實(shí)際上非常代謝活躍，是由于冬眠期間脂肪中1000多種獨(dú)特基因的表達(dá)所致。 。

“在整個(gè)飲食過度和冬眠過程中，胖子的整個(gè)角色仍然是一個(gè)值得繼續(xù)探索的令人興奮的領(lǐng)域。”

Jansen接著解釋說，在活動(dòng)期和隨后的飲食過度中，所研究組織的遺傳表達(dá)不同。雖然脂肪中的許多基因差異表達(dá)，但沒有基因像肌肉組織中那樣表達(dá)，只有三個(gè)在肝組織中差異表達(dá)。

差異基因表達(dá)還意味著基因可以根據(jù)基因上調(diào)或下調(diào)，類似于一組開關(guān)打開或關(guān)閉。在脂肪組織中表達(dá)的基因中，與活躍季節(jié)相比，超過2000個(gè)被上調(diào)，并且大約1800個(gè)在冬眠中被下調(diào)。

“看到不同組織中相同的基因組被上調(diào)或下調(diào)，同時(shí)最好地為動(dòng)物提供服務(wù)，這表明該過程可能有一個(gè)共同的控制機(jī)制，使這更像是一種'按需'調(diào)節(jié)，”凱利說。