Bjørnenes og vandbjørnenes utrolige superkræfter

Dyreoplysninger » Insectos » Bjørnenes og vandbjørnenes utrolige superkræfter

Dyr skjuler autentiske hemmeligheder i deres biologi fantastiske superkræfter som videnskaben kun lige er begyndt at tyde. Nogle pattedyr udvikler knap nok kræft, andre modstår brutale doser af stråling, og der findes arter, der er i stand til at tilbringe måneder ubevægelige, uden mad eller vand, og vende tilbage til aktivitet, som om intet var hændt. Det mest slående er, at mange af disse ekstreme bedrifter ikke er magiske: de er indskrevet i deres DNA.

Blandt dem alle er de ubestridte stjerner bjørnene og de såkaldte vandbjørne, tardigraderne. Førstnævnte er kendte for deres evner relateret til dvale og stofskifteMens sidstnævnte har opnået titlen som de hårdeste dyr på planeten ved at overleve forhold, der ville udslette næsten enhver anden form for liv, er det ikke bare et spørgsmål om nysgerrighed at forstå, hvordan de gør det: det kan ændre den menneskelige medicin i de kommende årtier.

Dyrs superkræfter: Når evolutionen bliver kreativ

Længe før vi talte om tegneserie-superhelte, havde naturen allerede udbredt ekstraordinære kræfter blandt dyrFor eksempel viser elefanter en overraskende lav forekomst af kræft, på trods af at de har en levetid svarende til menneskers og en krop med mange flere celler, hvilket i teorien ville indebære flere muligheder for, at noget kan gå galt.

Forskere ved University of Utah opdagede, at elefanter besidder snesevis af ekstra kopier af et gen, der koder for p53-proteinet, et ... nøglemolekyle i tumorundertrykkelseDette protein fungerer som en slags vogter, der registrerer DNA-skader og beordrer cellen til at blive repareret eller elimineret, hvis risikoen for kræfttransformation er høj. Elefanter har ikke kun flere kopier af dette gen, men de har også et langt mere effektivt system til at fjerne farlige celler fra kredsløbet.

Delfiner er et andet fascinerende eksempel. Disse hvaler udviser en særlig beskyttelse mod blodpropperDette er et problem, der hos mennesker er forbundet med hjerteanfald, slagtilfælde og andre alvorlige hjerte-kar-sygdomme. Selvom de specifikke mekanismer stadig er under undersøgelse, har deres fysiologi, der er tilpasset dybdykning og pludselige trykændringer, resulteret i blod, der er mindre tilbøjeligt til at danne dødelige blodpropper.

Samlet set viser disse dyr, at evolutionen har forfinet meget forskellige løsninger på almindelige trusler, såsom kræft eller hjerte-kar-sygdomme. Nøglen ligger i dens genomOg det er her, at arbejdet fra flere videnskabelige teams kommer ind i billedet, teams der har besluttet at spore disse genetiske særheder med et forstørrelsesglas.

Bjørne og dvale: mestre i sund fedme

En af biologiens store gåder er, hvordan nogle dyr kan gå i dvale i flere måneder uden at ødelægge din kropen proces, der selv er forskellig fra søvnen hos store pattedyr, såsom hvordan sover flodhesteBjørne er det bedste eksempel: de ophober enorme fedtreserver før vinteren, holder næsten helt op med at bevæge sig, spiser eller drikker ikke og urinerer eller afføringer næsten ikke. Alligevel frembyder de ikke de alvorlige komplikationer, som en person ville lide af under lignende forhold, når de vågner.

Hos mennesker ville det at tage meget på i vægt på kort tid og opretholde lange perioder med inaktivitet være den perfekte opskrift på at udvikle sygelig fedme, insulinresistens, type 2-diabetes, forhøjet blodtryk, blodpropper, muskelatrofi og en lang liste af andre problemer. Hos bjørne er denne proces dog ... reversibel og kontrolleretDe går ind i og forlader tilstanden af ​​funktionel fedme uden at efterlade spor af kronisk sygdom.

For bedre at forstå denne evne analyserede forskerne Christopher Gregg og Elliot Ferris, også fra University of Utah, genomerne fra adskillige pattedyr i dvale, ikke kun bjørne. Deres mål var at finde de DNA-sekvenser, der gør det muligt for disse dyr at blive fede "ret let", så at sige, og derefter vende tilbage til metabolisk normalitet uden langvarig skade.

I deres undersøgelse, der er offentliggjort i tidsskriftet Cell Reports, inkluderede de fire arter, der går igennem længere perioder med dvale: den lille pindsvinetiere (Echinops telfairi), det trettenbåndede jordegern (Ictidomys tridecemlineatus), den grå muselemur (Microcebus murinus) og den lille brune flagermus (Myotis lucifugus). Alle disse dyr reducerer deres vitale funktioner til et minimum. under dvale.

Egernets tilfælde er særligt slående: dets puls kan falde fra omkring 200 slag i minuttet til kun fem, og dets vejrtrækning, som normalt overstiger hundrede åndedrag i minuttet, reduceres til et enkelt åndedrag med få minutters mellemrum. Trods denne radikale opbremsning, organismen kollapser ikkeCellerne tilpasser sig, og dyret overlever i månedsvis næsten uden fødeindtag eller affaldsproduktion.

Dvaletilstandens genetik: skjulte kontakter i DNA

For at finde ud af, hvad der gør disse vinterdvaler så specielle, sammenlignede forskerne deres DNA med raske menneskers DNA og også med mennesker, der er ramt af sygdommen. Prader-Willi syndromEn genetisk sygdom karakteriseret ved en umættelig appetit og ekstrem fedme. Ideen var at identificere fælles områder af genomet, der opfører sig meget forskelligt på tværs af arter.

Denne sammenligning gav et kort over hundredvis af sekvenser relateret til vægtkontrol og stofskifte. Specifikt lokaliserede de 364 genetiske elementer, der ser ud til at fungere som nøgleregulatorer af dvaletilstand og fedmeDisse regioner er ikke klassiske proteinkodende gener, men snarere fragmenter af DNA, der fungerer som kontakter, der tænder eller slukker for nabogener alt efter dyrets behov.

Mange af disse områder er placeret i nærheden af ​​gener, der er involveret i menneskelig fedme. Det ser ud til, at vinterdvaler har lært at bruge det samme genetiske materiale på en anden måde: "Sikre" fedmeprogrammer aktiveres når de har brug for at lagre fedt og derefter deaktivere det, hvilket undgår den skade, som hos vores art er forbundet med sådanne pludselige ændringer.

I mellemtiden har andre studier offentliggjort i tidsskriftet Science fokuseret på et sæt gener kendt som FTO-locus (for "fedtmasse og fedme"). Hos mennesker er denne region en af ​​de vigtigste genetiske risikofaktorer for fedmeMen hos dyr i dvale ser det ud til at være blevet genbrugt for at tjene en gavnlig funktion.

Holdet ved University of Utah Health observerede, at der hos disse pattedyr er specifikke DNA-sekvenser omkring FTO, der meget præcist regulerer aktiviteten af ​​nærliggende gener. Disse sekvenser fungerer som en dirigent for molekylært orkesterDe øger eller sænker "volumenet" af flere gener involveret i fedtophobning og -forbrug, hvilket giver dyr mulighed for at blive fede før vinteren og derefter langsomt forbruge deres reserver under dvale.

Fra skoven til klinikken: hvad dyr i vinterhi kan lære os

Det virkelig spændende er, at mennesker også besidder det FTO-locus og mange lignende genetiske regionerForskellen er, at disse kontakter gennem hele vores evolution er blevet konfigureret forskelligt, så de nu prædisponerer os for fedme og stofskifteforstyrrelser i stedet for at hjælpe os med at gå i dvale eller håndtere store vægtvariationer uden konsekvenser.

Arbejdet ledet af Chris Gregg og hans kolleger tyder på, at de samme DNA-elementer, der muliggør metabolisk fleksibilitet hos dvalefugle, er blevet en akilleshæl i os. De åbner dog også døren til en meget spændende idé: måske Potentialet til at aktivere visse "metaboliske superkræfter" kan stadig være der, skjult i vores genom.og alt, hvad der skal til, er at finde en måde at justere disse kontakter på.

For at teste disse hypoteser har forskere brugt musemodeller, der på en kontrolleret måde har modificeret nogle af de specifikke regulatoriske regioner hos dyr i vinterhi. Når de ændrer et enkelt DNA-fragment, strækker virkningerne sig langt ud over FTO-genet og påvirker funktionen af ​​adskillige sammenkoblede gener, som forklaret af forfattere som Susan Steinwand. En lille ændring kan have brede og koordinerede konsekvenser i stofskiftet.

Denne type opdagelse har ansporet udviklingen af ​​epigenomiske redigeringsteknikker med høj præcision. Greggs laboratorium samarbejder med forsker Jason Gertz om at designe en CRISPR-baseret teknologi, der vil muliggøre ændre den epigenetiske "konfiguration" af specifikke regioner af det menneskelige genom. Målet i fremtiden ville være at justere metabolisk aktivitet på en personlig måde eller behandle fedme ved at handle direkte på disse regulatoriske kontakter.

Selvom det måske lyder som science fiction for nu, er præmissen klar: Hvis vi kan forstå, hvordan dyr i dvale undgår diabetes, muskeltab, neurodegeneration eller accelereret aldring i løbet af deres lange dvaleperioder, kan vi hente inspiration fra disse mekanismer til at ... designe behandlinger mod type 2-diabetes, hjerneskade fra slagtilfælde eller aldersrelateret tilbagegangDet ville ikke handle om mennesker, der går i dvale, men om at kopiere de cellulære beskyttelsestricks, der allerede virker i andre arter.

Vandbjørne: planetens mikroskopiske superhelte

Hvis bjørne og andre pattedyr i vinterhi repræsenterer den metaboliske side af dyrs superkræfter, så legemliggør tardigraderne den Ekstrem modstandsdygtighed i sin reneste formDisse små hvirvelløse dyr – også kendt som vandbjørne eller mosgrise – måler mindre end en millimeter og ligner noget taget ud af en science fiction-film.

Ved første øjekast giver deres fyldige kroppe og otte kløede poter dem et charmerende, næsten komisk udseende. Men bag det godmodige blik gemmer sig en skabning, der er i stand til at holde ud. temperaturer fra den brændende varme på 150 °C til næsten det absolutte nulpunktDe er så hårdføre, at de, efter at være blevet frosset, kan tø op og fortsætte med at gå, som om intet var hændt.

Deres tolerance rækker langt ud over temperatur. Tardigrader kan modstå tryk svarende til hundredvis gange Jordens atmosfæres tryk og dødelige doser af stråling, både røntgenstråler og ultraviolet stråling. De har endda overlevet rummets vakuum: I 2007 rejste tusindvis af disse små skabninger på en rummission og blev direkte udsat for rummiljøet i en højde af omkring 270 km. Da de vendte tilbage, var de fleste stadig i live og reproducerede sig uden problemer..

Denne kombination af termisk, mekanisk og radiologisk modstand har forvirret forskere i årevis. Det er ingen overdrivelse at sige, at tardigrader, så vidt vi ved, de længstvarende livsformer på JordenDeres evne til at trænge ind i tilstande tæt på "tilsyneladende død" og derefter genaktivere gør dem for mange til de perfekte kandidater til ekstreme scenarier, herunder det ydre rum.

Faktisk er det meget sandsynligt, at der er tardigrader, der hviler på Månens overflade. En israelsk rumsonde, der styrtede ned, medbragte et "månebibliotek" med millioner af sider information og prøver af humant DNA, udover dehydrerede tardigraderNogle er konserveret i kunstig rav, mens andre er fastgjort til bånd. Medstifteren, Nova Spivack, er overbevist om, at mange af disse vandbjørne stadig er der, i suspenderet animation, og venter på at blive sluppet løs igen i vandet.

Tardigradernes suspenderede animation: lever på 0,01%

Det centrale trick ved tardigrader er deres evne til at komme ind i en tilstand af ekstrem suspenderet animationteknisk kendt som kryptobiose. Når miljøet bliver fjendtligt – mangel på vand, ekstreme temperaturer, stråling – krymper dyret, trækker hoved og ben tilbage og forvandles til en slags tør kapsel kaldet en "tun".

I denne tilstand udstøder de næsten alt vandet fra kroppen og bevarer kun omkring 1% af deres sædvanlige volumen. Deres stofskifte sænkes til en minimal brøkdel, omkring 0,01% af normal aktivitet. Udefra ser de bogstaveligt talt døde ud: de spiser ikke, de bevæger sig ikke, De viser stort set ingen tegn på liv.De bevarer dog evnen til at genaktiveres, når gunstige forhold vender tilbage.

Det utrolige er, at denne dvale kan vare i årevis eller endda årtier. Der er dokumenterede tilfælde af tardigrader, der efter at have været udtørrede i meget lange perioder er vendt tilbage til livet blot ved at blive rehydreret. Tilsæt blot vand for at aktivere "tænd/sluk-knappen". og dyret genvinder alle sine funktioner, som om nogen havde trykket på en meget lang pauseknap.

Denne evne er ikke bare et kuriøst trick, men et utroligt kraftfuldt overlevelsesværktøj. Takket være den har tardigrader koloniseret næsten alle levesteder på planeten: fra vandpytter og mos til jord, ørkener, havbund og nu sandsynligvis også månens overflade. Deres biologi viser, at liv kan at modstå forhold, der syntes uforenelige med kontinuiteten af ​​komplekse organismer.

Kryptobiose, kombineret med deres strukturelle robusthed, gjorde dem til ideelle kandidater til projekter som Arch Mission Foundations månebibliotek. Der rejste, udover deres DNA, et enormt arkiv med over 30 millioner sider information om menneskeheden, arrangeret som et ejendommeligt Plan B i lyset af mulige globale katastroferSelvom tardigrader næppe kunne genoplive sig selv på Månen, kunne de teoretisk set blive bjærget og returneret til Jorden for at studere, hvordan det ekstreme miljø har påvirket dem.

Strålingsbeskyttelse: Vandbjørnens mirakelprotein

Ud over kryptobiose har tardigrader endnu et es i ærmet: et protein, der er i stand til at beskytte DNA mod skader forårsaget af røntgenstrålerForskere ved Kyoto Universitet, ledet af Takekazu Kunieda, sekventerede genomet for disse dyr og lokaliserede et specifikt protein - der kun findes i tardigrader - som aktiveres, når organismen bestråles.

Ved at analysere dets funktion opdagede de, at dette protein fungerer som et ægte molekylært skjold. Når det udtrykkes i humane celler i laboratoriet, reduceres mængden af ​​DNA-skade efter strålingseksponering med cirka halvdelen. Med andre ord, Et enkelt gen fra en tardigrade er nok til at forbedre menneskecellers modstandsdygtighed over for stråling betydeligt..

Dette resultat efterlod forskerne målløse, fordi det viser, at visse ekstreme træk i det mindste delvist kan overføres mellem arter. Hvis det bekræftes og forfines, kan et sådant værktøj have enorme anvendelsesmuligheder: fra at beskytte sundt væv under strålebehandling at forbedre sikkerheden for arbejdstagere, der er udsat for stråling, eller endda astronauter.

Men overraskelserne slutter ikke der. Når en tardigrade tørrer næsten fuldstændigt ud, brydes dens DNA i flere små fragmenter. Under normale forhold ville sådan massiv skade være dødelig for enhver organisme, men disse dyr har ekstraordinært effektive DNA-reparationsmekanismerUnder rehydrering genopbygger de deres kromosomer stykke for stykke uden væsentlige fejl og genvinder deres tidligere tilstand.

Hvis evnen til at tolerere så ekstrem udtørring og reparere sådant beskadiget DNA kunne overføres, om end delvist, til andre dyreceller, kunne det revolutionere områder som konservering af væv, organer og fødevarer. Nogle forskere forestiller sig en fremtid, hvor dette er muligt. Opbevar celler, kulturer, kød eller fisk i tør form i årevis uden tab af biologisk kvalitet, inspireret af disse vandbjørnes biologi. Alle er dog enige om, at vi stadig er langt fra at gøre noget lignende praktisk og etisk på mennesker.

Har vi også skjulte superkræfter?

Det store spørgsmål, der svæver over alle disse studier, er, om mennesker i en eller anden form bevarer, det genetiske potentiale til at aktivere lignende evner til dem fra dyr i vinterhi eller tardigrader. Det nye svar er ikke et rungende ja, men det er heller ikke et absolut nej: Vi deler en stor del af den genetiske "hardware", selvom vores epigenetiske og regulatoriske "konfiguration" er forskellig.

Studier af FTO-locuset og tilhørende regulatoriske regioner viser, at det samme område af genomet kan have meget forskellige effekter afhængigt af hvordan dit switchnetværk er organiseretHos vores art øger visse mønstre risikoen for vægtøgning og udvikling af metabolisk syndrom. Hos dyr i dvale giver variationer i disse samme områder dem mulighed for at ophobe fedt til midlertidig brug uden ødelæggende konsekvenser og beskytte følsomme organer som hjerne og hjerte.

Dette får nogle forskere til at foreslå, at vi måske ikke behøver at importere eksotiske gener for at forbedre vores helbred, men lære at håndtere dem, vi allerede har, bedreMed andre ord kan det menneskelige genom indeholde latente løsninger mod sygdomme relateret til alder, fedme eller neuronal degeneration, som i øjeblikket er "slukket" eller dårligt reguleret.

For at nå dertil er der behov for stadig mere præcise kort over, hvordan disse regulatoriske regioner interagerer i forskellige arter. Den sammenlignende tilgang – hvor man sammenligner genomerne hos mennesker, bjørne, egern, lemurer, flagermus og andre pattedyr – giver os mulighed for at identificere bevarings- og forandringsmønstre, der peger på de virkelig kritiske knudepunkter i det genetiske netværkNår de er lokaliseret, kan mere rationelle og sikrere interventionsstrategier afprøves.

Det er sandt, at mange af disse anvendelser for øjeblikket er fremtidsprojekter, og at det vil tage tid at omsætte dem til klinisk praksis. Men det underliggende budskab er meget kraftfuldt: Bjørne, dvalefugle og tardigraders "superkræfter" er ikke uforklarlige miraklermen snarere resultatet af meget specifikke kombinationer af gener og regulatorer. Forståelse af disse kombinationer kan hjælpe os med at designe nye behandlinger, bedre vurdere individuel risiko for metaboliske sygdomme og styre livsstil og behandlinger på en mere personlig måde.

Når man ser på hele billedet, bliver det tydeligt, at superkræfterne hos bjørne, vinterbjørne og vandbjørne repræsenterer meget mere end biologiske kuriositeter. Gemt i deres genomer er der spor om Hvordan man modstår kræft, modulerer stofskiftet, bremser neurodegeneration, modstår stråling og overlever ekstreme forholdVidenskaben er kun lige begyndt at oversætte det sprog, men hver ny opdagelse forstærker ideen om, at nogle af disse evner på en eller anden måde kunne være inden for rækkevidde af vores egen art.