A szibériai hörcsögök minden télen elveszítik súlyuk felét. A tudósok szekvenálták DNS-ét, hogy megtudják, hogyan.

Tanulmány: A nap hosszának változásai változást váltanak ki, ételtől vagy hőmérséklettől függetlenül

A szibériai hörcsög mintaszervezet a szezonális biológiai ritmusok tanulmányozásához. Tavasszal és nyár elején szaporodnak, de az ősz közeledtével testük drámai módon megváltozik. A hörcsögök testtömegük majdnem felét elveszítik, főleg zsír révén, és 30–40% -kal korlátozzák a táplálékfelvételt. Bundájuk megvastagodik és színét szigorúan fehérre változtatja, és meddővé válnak mindaddig, amíg meg nem kezdik a hátramenetet, hogy felkészüljenek a következő tenyészidőszakra.

télen

Annak bemutatására, hogy ezek a kicsi, szezonális tenyésztők hogyan alakítják testüket a tél túlélésére, a Chicagói Egyetem tudósai annak a csapatnak voltak a részesei, amely létrehozta a szibériai hörcsög első, teljesen szekvenált genomját. A héten, a Nemzeti Tudományos Akadémia Proceedings-ben közzétett kutatás feltárja a jelek kaszkádját, amelyek a hörcsögöt télire készítik fel, és amelyet a nap hosszának csökkenése vált ki. Az új tanulmány azt mutatja, hogy a nap hosszának eltolása önmagában elegendő volt ezeknek a változásoknak a kiváltására, függetlenül a hőmérséklettől és a rendelkezésre álló élelmiszer mennyiségétől.

"Reméljük, hogy ez egy valóban érdekes biológiai rejtvény felfedezésének és további kutatásának eszköze lesz, amely során az organizmusok egy év alatt eligazodnak a természet energetikai tájain" - mondta Brian Prendergast, a Chicagói Egyetem pszichológiai professzora és a tanulmány egyik szerzője.

A kutatás egy vezető szerző, Tyler Stevenson, a Prendergast laboratóriumi volt posztdoktori munkatársa, jelenleg a Glasgowi Egyetem karán. Stevenson Riyue Bao-val, az UChicago Kutatási Informatikai Központ bioinformatikai csoportjával dolgozott össze a hörcsög genomjának és transzkriptómjának (a génjei által expresszált RNS-molekulák) összeállításában és elemzésében, hogy megértsék ezeknek a géneknek az agyban kifejtett aktivitását mind nyári, mind téli körülmények között.

A kutatók a hipotalamuszban, az agy azon részében végzett tevékenységre összpontosítottak, amely számos fontos anyagcsere-folyamatot indít el, mint például a hormonok felszabadítása, a pajzsmirigy felé történő jelzés, valamint a testhőmérséklet, az éhség és az alvás szabályozása. A modern tudomány elég jól megértette, hogy ezek a folyamatok hogyan képesek rövid távon fenntartani a súlyt az étvágy, az étkezés és az energiafelhasználás révén. Az új tanulmányhoz a kutatók azt akarták megtudni, hogy az olyan állatok, mint a szibériai hörcsög, hosszú távon hogyan tartják meg a súlyukat egy éves ciklusban.

Stevenson és Bao együtt dolgozták a gének kifejeződésére vonatkozó adatok értelmezését, keresve a különbségeket a hörcsögökből a nyári és a téli időszakban vett minták között. Miután Bao észrevette ezeket a különbségeket, és azonosította, mely biológiai folyamatok lehetnek érintettek, Stevensonhoz fordult validálás céljából.

"Együttműködésünk elég dinamikus, mint egy kétirányú utca" - mondta Bao. - Átadnám neki az adatokat, és megkérdezném, van-e értelme egy bizonyos útnak. Akkor felismerhet egy bizonyos RNS-molekulát vagy jelölt gént, és további információkat kérhet.

Szűkültek a pomc nevű génben. Évek óta a tudósok azt feltételezik, hogy sok állatban részt vesz a súly és az energiaegyensúly hosszú távú szabályozásában, de "a rejtély volt a pomc expressziójának ellenőrzése" - mondta Stevenson. "Az általunk tervezett tanulmányok a hiányosságok pótlását szolgálták, és egyszerűen a pontok összekapcsolásáról volt szó."

Ez az eseménylánc a pajzsmirigyhormonnal kezdődik, amelyet T4-nek hívnak. A T4 hormon könnyen elérhető a véráramban, és amikor a nappali fény mennyisége tavasszal növekszik, a hörcsög enzimeket termel, amelyeket úgynevezett dejodinázoknak neveznek. Ezek az enzimek eltávolítanak egy jódmolekulát a T4-ből, és egy erősebb T3 nevű hormonzá alakítják, amely szabályozza a pomc aktivitását.

A nyár folyamán a megnövekedett T3-termelés lehetővé teszi a hörcsögök termékenységét és emeli a pomc-aktivitást, emiatt hízik. Ahogy a napok lerövidülnek az ősszel, a T3 termelése csökken, és ezzel leáll a szaporodás a közelgő télre. A T3 leengedve a pomcot is kikapcsolja vagy kikapcsolja, ami drámai fogyást eredményez.

Stevenson a szibériai hörcsög genomját összehasonlította más apró emlősökkel, például egerekkel és lepkékkel. Nagyon sok különbséget észlelt az állatok között a pomc gén promoter régiójában lévő szekvencia mintákban vagy motívumokban. A DNS ezen szakasza a génszekvencia elején fontos szerepet játszik abban, hogy hogyan íródik át RNS-be, és végső soron hogyan működik a gén. A szibériai hörcsög ugyanazt a motívumot osztja meg más szezonális tenyésztőkkel, ami azt sugallja, hogy kulcsfontosságú a pomc kifejeződése a nyári-téli adaptációk kezelésében.

„Minden állat szezonális biológiát mutat, beleértve az embereket is. Megállapításaink azt mutatják a hörcsögöknél, hogy az agyban fellépő pajzsmirigyhormonok, ahol a pomc kifejeződik, hosszú távon szabályozzák az energiaegyensúlyt ”- mondta Stevenson.

„Ami teljesen lenyűgöző, hogy ez a folyamat egyes állatokban, például a hörcsögökben és a pocakokban fejlődött ki, másokban nem, például juhokban vagy emberekben. Ez azt mondja nekünk, hogy az állatokon nagyfokú genomvariabilitás létezik, és a hosszú távú energiamérleg erős fajspecifikus kontrollját jelzi ”- mondta.

Külön kísérleti sorozatban a kutatók korlátozták a hörcsögök táplálékának mennyiségét is. Noha ez bizonyos változásokat okozott az agykémia terén, a pomc expressziójára nem volt hatással. Csak a nap hosszának hosszú távú változásai voltak hatással a pomcra.

Prendergast szerint az ilyen minták miatt a szibériai hörcsög nemcsak a szezonális adaptációk kezelésében, hanem általában a testtömeg kezelésében is érdekes.

„Az elhízást tanulmányozó kutatóknak figyelniük kell erre a modellre, mert ez egy olyan állat, amely visszafordíthatóan elhízik. Akkor a testtömeg majdnem felét elveszítheti, ha a nap hossza azt mondja, hogy ideje lefogyni - mondta. "Csodálatos rejtvény ezek a folyamatok megértéséhez."

További szerzők: Kenneth G. Onishi a Chicagói Egyetemről; Elisabetta Tolla a Glasgowi Egyetemről; Fran J. P. Ebling a Nottingham Egyetemről; J. E. Lewis a Cambridge-i Egyetemről; valamint R. L. Anderson és Perry Barrett az Aberdeen Egyetemről.

Idézet: „A szibériai hörcsög hipotalamusz genomszekvenálása és transzkriptómanalízisei meghatározzák a szezonális energiaegyensúly mechanizmusait” - Tyler Stevenson és munkatársai, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019. június 10.