Προσπαθήστε να ξεπεράσετε ένα άλογο και πιθανότατα θα χάσετε. Παρά τον επίμονο μύθο ότι το είδος μας εξελίχθηκε για να κυνηγήσει το θήραμα στη σαβάνα, Τα άλογα θα νικήσουν γενικά Ακόμα και οι πιο ελίτ ανθρώπινο αθλητές αντοχής σε διαγωνισμούς ταχύτητας και απόστασης. Η νέα έρευνα βοηθάει να εξηγηθεί γιατί και πώς τα άλογα έχουν ένα αθλητικό πλεονέκτημα.
Μια μελέτη Δημοσιεύθηκε στις 27 Μαρτίου στο περιοδικό Επιστήμη διαπιστώνει ότι μια μοναδική και αρχαία σειρά γενετικών μεταλλάξεων ήταν το κλειδί για την εξέλιξη της εξαιρετικής αερόβιας ικανότητας των αλόγων. Μαζί, αυτές οι αλλαγές επιτρέπουν στους μυς των αλόγων να χρησιμοποιούν το οξυγόνο γρήγορα και αποτελεσματικά, χωρίς να επιβαρύνουν την κυτταρική βλάβη που συνήθως συνδέεται με την καύση μέσω πολλών καυσίμων.
«Αφήνει πραγματικά τα άλογα να έχουν το κέικ τους και να το τρώνε επίσης» Γιάννη Καστιγλιόνένας συν-συγγραφέας μελέτης και ένας βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt, λέει Δημοφιλής επιστήμη. Οι μεταλλάξεις αντιπροσωπεύουν εν μέρει γιατί τα άλογα είναι σε θέση να διατηρήσουν ένα τόσο υψηλό ποσοστό των μυών σε σχέση με τη σωματική τους μάζα, γιατί μπορούν να διατηρήσουν μια τέτοια υψηλή συγκέντρωση μιτοχονδρίων στα μυϊκά τους κύτταρα και γιατί η μέγιστη ικανότητά τους να απορροφούν και να χρησιμοποιούν οξυγόνο (ή το μέγιστο VO2 τους) είναι περισσότερο από το διπλάσιο του ανθρώπινου αθλητή.
Το γονίδιο και η προκύπτουσα πρωτεΐνη στο κέντρο της προσαρμογής δεν είναι μόνο για άλογα – έχει επίσης σοβαρές κλινικές επιπτώσεις στην έρευνα για την υγεία. Είναι πιθανό ότι, αποκαλύπτοντας το μυστήριο του αθλητισμού των αλόγων, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να βρουν νέες θεραπείες για νευροεκφυλιστικές ασθένειες σε ανθρώπους όπως το Alzheimer ή ακόμα και οι θεραπείες να σταματήσουν τις μειώσεις της φυσιολογικής γήρανσης.
Ένα πρώτο από το είδος της μετάλλαξης σε θηλαστικά
Ο Castiglione και η ομάδα του ξεκίνησαν την αναζήτησή τους με μια ευρεία έρευνα των γονιδίων σε όλο το δέντρο της ζωής των ζώων, αναζητώντας πώς οι γενετικές ακολουθίες με γνωστή σημασία στους ανθρώπους διαφέρουν ή παραμένουν οι ίδιοι σε άλλα είδη. Απροσδόκητα, έπεσαν σε μια συγκεκριμένη αλλοίωση των ιπποειδών που βοηθάει στην εξήγηση του τρόπου με τον οποίο τα άλογα (μαζί με τους ζέβρες και τα γαϊδουράκια) επιτυγχάνουν την προωθητική τους δύναμη. “Βρήκαμε όλο αυτό το φαινόμενο σε άλογα – κάτι που δεν θα είχαμε προβλέψει ποτέ”, λέει ο Castiglione.
Η προσθήκη στην ίντριγκα, η αλλαγή στα άλογα είναι στενά συνδεδεμένη με ένα που βρίσκεται επίσης στα πουλιά, λέει Ελία Ντουχένας συν-συγγραφέας μελέτης και ένας οφθαλμίατρος και ένας βιοϊατρικός επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins. Castiglione και Duh δημοσιεύθηκαν Προηγούμενη έρευνα το 2020 Σε αυτή την ανακάλυψη των πτηνών και πιστεύετε ότι η αλλαγή είναι ένα σημαντικό μέρος του γιατί τα πουλιά είναι σε θέση να πετάξουν, παρά το πώς είναι ενεργά φορολογώντας όλα αυτά τα πτερύγια.
“Υπονοούσε τη συγκλίνουσα εξέλιξη”, λέει ο Castiglione. Αλλά μόλις οι επιστήμονες έσκαψαν βαθύτερα, διαπίστωσαν ότι η γενετική μετατόπιση των αλόγων είναι πολύ πιο περίπλοκη από τη μετάλλαξη των πτηνών. Τα άλογα, αποδεικνύονται, έπρεπε να καθαρίσουν πολλά περισσότερα εξελικτικά εμπόδια για να φτάσουν στην τελική τους μορφή. Ένα από αυτά τα εμπόδια είναι τόσο σπάνιο, είναι ένας τύπος μετάλλαξης μόνο προηγουμένως παρατηρήθηκε Σε ένα υποσύνολο ιών.
Ο παράγοντας πρωτεΐνης
Για να καταλάβουμε πώς τα άλογα βρήκαν το αθλητικό τους βήμα, είναι πρώτα σημαντικό να κατανοήσουμε δύο πρωτεΐνες: Nrf2 και Keap1. Το Nrf2 είναι βασικά πανομοιότυπο σε όλα σχεδόν τα σπονδυλωτά. Έχει αντιοξειδωτικά αποτελέσματα στο σώμα, εξουδετερώνοντας τα καταστροφικά μόρια. Παίζει επίσης ρόλο στην παραγωγή του μορίου τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), που είναι το ενεργητικό νόμισμα των κυττάρων. Μιτοχόνδρια γνωστός και ως “Η δύναμη του κυττάρου” καίει ATP ως καύσιμο. Όσο περισσότερο διαθέσιμο το ATP μπορούν να κάνουν τα περισσότερα κύτταρα εργασίας.
Αν και το NRF2 εκτελεί μερικές πολύ σημαντικές λειτουργίες, μπορεί επίσης να είναι θανατηφόρα αν τρέχει amok. Σε πολλά σπονδυλωτά, το υπερδραστήριο Nrf2 προκαλεί μεγάλα προβλήματα όπως η ανάπτυξη του όγκου. “Είναι πολύ μια κατάσταση Goldilocks”, λέει ο Castiglione. Τα ζώα “πρέπει να ρυθμίζουν στενά το Nrf2 και να το ενεργοποιήσουν μόνο όταν το χρειάζονται”.
[ Related: Why studying horses could help humans stay healthy, too. ]
Εκεί έρχεται ο Keap1. Διατηρεί το Nrf2 υπό έλεγχο με το NRF2 και φραγκώνουν την ενεργό της θέση υπό κανονικές κυτταρικές συνθήκες. Όταν αρκετά οξειδωτικά μόρια, που ονομάζονται επίσης ελεύθερες ρίζες, εμφανίζονται ως ένα αναπόφευκτο υποπροϊόν των κυττάρων που χρησιμοποιούν ενέργεια, το Keap1 απενεργοποιείται. Αυτό ελευθερώνει το Nrf2 για να καταπολεμήσει τις ελεύθερες ρίζες και να ελαχιστοποιήσει την κυτταρική βλάβη.
Στα πτηνά, οι αλλαγές στο γονίδιο που κωδικοποιούν το Keap1 καθιστούν τη μη λειτουργική πρωτεΐνη. Οι πτηνοί ανέπτυξαν στρατηγικές για να αντισταθμίσουν ορισμένες από τις συνέπειες της ύπαρξης μη ρυθμιζόμενων, συνεχώς ενεργών πρωτεϊνών Nrf2 – ενώ εξακολουθούν να αποκομίζουν την ανταμοιβή αρκετής ενέργειας για να πετάξουν. “Υπάρχει σίγουρα μια ισορροπία και – για διαφορετικούς οργανισμούς – είναι θέμα της βέλτιστης ισορροπίας”, λέει ο Duh.
Τα άλογα αξιοποιούν τη δύναμη της «ανακατασκευής»
Στα άλογα και στους στενούς συγγενείς τους, Τα πράγματα είναι λίγο πιο περίπλοκα. Οι συγγραφείς της μελέτης βρήκαν μια μεμονωμένη αλλαγή νουκλεοτιδίων νωρίς στο γονίδιο που κωδικοποιεί το Keap1, το οποίο κανονικά θα σταματούσε την παραγωγή πρωτεΐνης. Ωστόσο, μέσω αλληλουχίας πρωτεϊνών, πειράματα κυτταρικής καλλιέργειας και συγκρίσεις με κύτταρα ποντικού και ανθρώπινου, Duh και Castiglione ανακάλυψαν ότι τα άλογα δεν έχουν μη λειτουργική, ακανόνιστη πρωτεΐνη. Αντ ‘αυτού, το έκδοση ιπποειδών του KEAP1 είναι ακόμα πιο ευαίσθητο στο στρες και πιο ευαίσθητη στις ελεύθερες ρίζες από το είδος που υπάρχει σε άλλα σπονδυλωτά.
Τα άλογα το κάνουν αυτό μέσω ενός φαινομένου που ονομάζεται ανακατασκευασμένος. Κατά τη διάρκεια της επανασύνδεσης, μια αλληλουχία γονιδίων που συνήθως διαβάζεται ως ένα σημάδι στάσης μεταφράζεται σε ένα αμινοξέο που επιτρέπει την κατασκευή της υπόλοιπης πρωτεΐνης. Μια σουίτα συμπληρωματικών γενετικών αλλαγών έπρεπε να συμβεί για να επιτρέψει την ανακατασκευή, αλλά δεν είναι σαφές εάν αυτές ήρθαν πριν ή μετά την ίδια τη μετάλλαξη γονιδίων Keap1. Είτε έτσι είτε αλλιώς, η προκύπτουσα πρωτεΐνη Keap1 Horse είναι αρκετά διαφορετική ώστε να προσφέρει οφέλη, χωρίς προφανή, σημαντικά μειονεκτήματα.
Αυτός ο συγκεκριμένος τύπος ανακατασκευής έχει προηγουμένως τεκμηριωθεί μόνο σε ιούς που μολύνουν βακτηρίδια ή βακτηριοφάγους. Η εύρεση της διαδικασίας σε ένα θηλαστικό σπονδυλωτά αποκαλύπτει μια εντελώς νέα σφαίρα πιθανής γενετικής περιφρόνησης που κρύβεται σε πολύπλοκους οργανισμούς. “Μιλάει μόνο για τη μοναδικότητα των αλόγων”, λέει ο Duh.
[ Related: Horses once had multiple hoofed toes. ]
Ο Ο αριθμός των μετατοπίσεων DNA Αυτό πρέπει να έχει συμβεί σε ταχεία διαδοχή για να δημιουργηθεί αυτό το σύγχρονο αποτέλεσμα αντικατοπτρίζει επίσης ότι τα ισχυρά άλογα πίεσης ήταν πιθανό να γίνουν γρήγορα και ακούραστα. Τα πρώτα ζώα που μοιάζουν με άλογο ήταν περίπου το μέγεθος των σκύλων και αντιμετώπισαν αρκετούς θηρευτές στο ανοιχτό βιότοπό τους. Για να αποφευχθεί η κατανάλωση για εξαφάνιση, προσαρμόστηκαν. Ήταν ένα “έντονο εξελικτικό Crucible” και τα προγονικά άλογα έπρεπε να καινοτομούν για να επιβιώσουν, υποδηλώνει Castiglione.
Δεν είναι σαφές ακριβώς πότε συνέβησαν αυτές οι αλλαγές. Θα μπορούσε να ήταν λίγο πριν από την προέλευση του γένους Ισοπαλία Μεταξύ 4 και 4,5 εκατομμυρίων ετών πριν. Ή, μπορεί να ήταν τόσο απομακρυσμένο όσο πριν από 55 εκατομμύρια χρόνια, αμέσως μετά το Οι συνήθεις πρόγονοι των σύγχρονων ρινόκερων και των αλόγων χωρίζονται. Το γενετικό αρχείο είναι πολύ ελλιπές για να εξαχθούν λεπτομερή συμπεράσματα σχετικά με το χρονοδιάγραμμα, σημειώνει ο Castiglione. “Μπορούμε μόνο να συμπεράνουμε αυτό που συνέβη μια φορά κι αν δεν έχετε μια μηχανή χρόνου. Αυτό είναι πάντα ένας περιορισμός με εξελικτική δουλειά”.
Μελλοντικές εφαρμογές σε ανθρώπους
Παρά τις αναπάντητες εξελικτικές ερωτήσεις, οι Castiglione και Duh πιστεύουν ότι τα ευρήματά τους είναι αρκετά σταθερά για να προωθήσουν τις βιοϊατρικές προόδους. Οι Keap1 και Nrf2 είναι σημαντικά σημαντικό πρωτεΐνες σε πολλά ανθρώπινος ασθένειες και στη γήρανση. Γνωρίζοντας ότι ένα μόνο ϋΝΑ νουκλεοτίδιο και ανταλλαγή αμινοξέων μπορεί να αλλάξει σημαντικά τον τρόπο με τον οποίο οι λειτουργίες του συμπλέγματος πρωτεϊνών θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες για την αντιμετώπιση ορισμένων από τις δυσλειτουργίες που εμφανίζονται.
Τότε υπάρχει το γεγονός ότι τα άλογα εξελίχθηκαν μια λύση για να αποφύγουν να κολλήσουν με μια άθλια πρωτεΐνη Keap1, παρά μια μετάλλαξη που θα έπρεπε να έχει σταματήσει τη γραμμή παραγωγής. “Σε 10 έως 15 τοις εκατό των ανθρώπινων ασθενειών, έχετε ένα πρόωρο κωδικόνιο στάσης”, λέει ο Castiglione. Εάν οι πρόγονοι των αλόγων βρήκαν έναν τρόπο να παράγουν ακόμα μια λειτουργική πρωτεΐνη, ίσως μια παρόμοια, εμπνευσμένη από ιπποειδή γονιδιακή θεραπεία θα μπορούσε να αναπτυχθεί και για τους ανθρώπους.
Ωστόσο, για αυτές τις μελλοντικές δυνατότητες υλοποίησης, πρέπει να υπάρξουν συνεχείς επενδύσεις σε διερευνητική και θεμελιώδη έρευνα, λέει ο Castiglione. «Όλα αυτά τα έργα χρηματοδοτήθηκαν από το [National Institutes of Health]”Λέει Δημοφιλής επιστήμη. “Είναι λόγω της προθυμίας τους να χρηματοδοτήσουν βασική έρευνα ότι τώρα βρήκαμε πράγματα κλινικής αξίας που δεν θα μπορούσαμε ποτέ να προβλέψουμε”. Κάτω από την τρέχουσα διοίκηση, το NIH είναι Αντιμετωπίζοντας σημαντικές περικοπές χρηματοδότησης.
VIA: popsci.com
