Исследование показывает, что наша ДНК может содержать ключ к спячке, подобной медведям: ворота к межзвездным путешествиям?

Иногда то, что кажется научной фантастикой, оказывается ближе, чем мы думаем. В середине зимы медведь может неделями обходиться без движения, еды, питья и не страдать от какого-либо вреда. При этом его мышечная масса не уменьшается, а мозг не проявляет никаких признаков ухудшения. А когда он просыпается, то как будто ничего и не произошло. Между тем, людям нужно постоянное питание, стабильная температура и медицинская помощь, чтобы предотвратить такие заболевания, как диабет, болезнь Альцгеймера или сердечные приступы. Однако новое открытие предполагает, что ключи к этой невероятной устойчивости присущи не только животным, впадающим в спячку:  некоторые из них могут быть запрограммированы в самом нашем геноме.

Два исследования, опубликованные в  журнале Science,  предполагают, что «суперспособности» животных, впадающих в спячку, — способность замедлять старение, противостоять болезням и входить в состояние минимальной энергии на длительное время — могут активироваться и у людей. Ключ к разгадке?  Некодирующие участки ДНК, действующие как переключатели. Эти последовательности, сами по себе не являясь генами, контролируют включение и выключение других генов, связанных с метаболизмом и выживанием в экстремальных условиях. И самое удивительное, что они есть и у нас.

Общая ДНК с существами, находящимися в спячке

Одна из наиболее показательных подсказок была обнаружена в известном локусе FTO – участке генома человека, связанном с ожирением. У людей  варианты этого локуса связаны с повышенным риском накопления жира, но у животных, впадающих в спячку, этот же участок, по-видимому, функционирует иначе. По словам исследователей, животные, впадающие в спячку, не только эффективно запасают жир, но и используют его в течение длительных периодов голодания, избегая негативных последствий.

Учёные выявили  специфичные для гибернаторов генетические регуляторные элементы (CRE)  вокруг локуса FTO, которые изменяют экспрессию близлежащих генов, таких как  Irx3  и  Irx5, участвующих в регуляции метаболизма. В статье говорится: «Наши результаты показывают, что связанные с гибернацией цис-элементы влияют на экспрессию генов и модулируют различные аспекты метаболизма».

Это открытие позволило исследователям создать генетически модифицированных мышей, удалив некоторые из этих последовательностей из их ДНК. Результат оказался поразительным: у мышей наблюдались  существенные изменения в метаболизме, наборе веса и даже в пищевом поведении. Некоторые мыши набирали больше веса на диете с высоким содержанием жиров; у других наблюдался более медленный метаболизм или измененная реакция на голодание и возобновление питания.

Более гибкие биологические часы

Один из самых интересных аспектов исследования – это то, как, по-видимому, животные, впадающие в спячку, эволюционировали, утратив определённые генетические «ограничения», ограничивающие гибкость нашего метаболизма.  Вместо того, чтобы иметь фиксированный уровень потребления энергии, как у людей, их организм способен снижать метаболическую активность практически до минимума и возобновлять её при необходимости. Исследователи объясняют, что большинство генетических изменений, обнаруженных у животных, впадающих в спячку, «не привносят новую функцию, а скорее нарушают прежние». Это говорит о том, что  ключ к их адаптации может заключаться в устранении тормозов, а не в добавлении новых возможностей.

Этот принцип играет ключевую роль в продумывании будущих биомедицинских сценариев.  Что бы произошло, если бы мы могли временно отключить определённые участки человеческого генома, регулирующие активный метаболизм?  Мы могли бы входить в энергосберегающие состояния, подобные гибернации, снижая активность тела и мозга без повреждения клеток. Эта идея — не просто научное любопытство:  она могла бы стать полезным инструментом для лечения дегенеративных заболеваний, предотвращения атрофии мышц в периоды неподвижности и, в долгосрочной перспективе, для исследования длительных космических путешествий.

Генетическая основа будущего человечества

Исследование вышло за рамки общего генетического анализа. В ходе прецизионного подхода с использованием нескольких геномных методов  были идентифицированы тысячи высококонсервативных участков ДНК млекопитающих, которые демонстрируют ускоренные изменения только у видов, впадающих в спячку. Эти участки перекрываются с так называемыми «генами-концентраторами» –  центральными узлами сетей коэкспрессии, которые координируют крупные молекулярные изменения в таких состояниях, как голодание или возобновление питания.

В этом контексте  гипоталамус, по-видимому, является важнейшим командным центром, регулирующим такие функции, как аппетит, температура тела, активность и расход энергии. В ходе исследования было отмечено, что после периодов голодания и последующего возобновления питания в гипоталамусе мышей наблюдались значительные изменения экспрессии более 10 000 генов. Многие из этих генетических контролирующих областей перекрывались с теми, которые изменились в ходе эволюции гибернаторов.

От нейропротекции к здоровому старению

Другим важным моментом является то, что животные, впадающие в спячку, не только переживают голодание:  они делают это без когнитивных нарушений, мышечной атрофии или повреждения органов. Они возвращаются в нормальное состояние со скоростью и эффективностью, немыслимыми для человека. Более того, было замечено, что процесс спячки может обратить вспять нейронные изменения, сопоставимые с таковыми при болезни Альцгеймера. В исследовании говорится: «Впадающие в спячку демонстрируют уникальные способности к долголетию, нейропротекции, синаптической регенерации и разрешению тауопатий».

Это открытие позволяет рассматривать животных, впадающих в спячку, в качестве  биологических моделей для изучения того, как противостоять старению, предотвращать деградацию нейронов и ускорять восстановление после травм или хирургических операций. Если эти способности связаны с генетическими элементами, которые также присутствуют, хотя и неактивны, у людей, путь к разработке специфических генных или лекарственной терапии становится гораздо более реальным.

А космические путешествия?

Гибернация — один из теоретических столпов межзвёздных путешествий. В научной фантастике экипажи погружаются в «криогенный сон», чтобы выдержать годы или десятилетия путешествия. Но за пределами фантастики  контролируемая гибернация снижает метаболические потребности, предотвращает атрофию мышц и минимизирует психологическое воздействие длительного заточения.

Хотя мы пока далеки от применения этих методов к человеку, это исследование представляет собой конкретный шаг: оно показывает, что  генетические инструменты для достижения этой цели могут уже присутствовать в нашей ДНК. Нам просто нужно научиться их активировать. Как утверждают авторы: «У людей уже есть генетическая база; нам нужно лишь определить переключатели, управляющие этими признаками гибернации».