Проучване: Промените в продължителността на деня предизвикват промени, независимо от храната или температурата

Сибирският хамстер е образцов организъм за изучаване на сезонни биологични ритми. Те се размножават през пролетта и началото на лятото, но с наближаването на есента телата им се променят драстично. Хамстерите губят почти половината от телесното си тегло, най-вече чрез мазнини, и ограничават приема на храна с 30% до 40%. Козината им се сгъстява и променя цвета си до ярко бял и те стават безплодни, докато не започнат да обръщат курса за подготовка за следващия размножителен сезон.

сибирски

За да покажат как тези малки сезонни животновъди адаптират телата си, за да оцелеят през зимата, учените от Университета в Чикаго бяха част от екип, създал първия напълно секвениран геном на сибирския хамстер. Изследването, публикувано тази седмица в Сборника на Националната академия на науките, разкрива каскадата от сигнали, които подготвят хамстера за зимата, предизвикани от намаляването на продължителността на деня. Новото проучване показва, че само промяната на продължителността на деня е била достатъчна, за да предизвика тези промени, независимо от температурата или количеството храна.

„Надяваме се, че това ще бъде инструмент за откриване и повече изследвания върху един наистина интересен биологичен пъзел, който е начинът, по който организмите се ориентират в енергийния пейзаж на природата в продължение на една година“, каза Брайън Прендергаст, професор по психология в Чикагския университет и един от авторите на изследването.

Изследването е съвместен проект със старши автор Тайлър Стивънсън, бивш постдокторант в лабораторията на Прендергаст, който сега е преподавател в Университета в Глазгоу. Стивънсън е работил с Riyue Bao от групата за биоинформатика на Центъра за изследователска информатика в UChicago, за да сглоби и анализира генома и транскриптома на хамстера (молекулите на РНК, изразени от неговите гени), за да разбере активността на тези гени в мозъка както при летни, така и при зимни условия.

Изследователите са се фокусирали върху активността в хипоталамуса, част от мозъка, която инициира редица важни метаболитни процеси като освобождаване на хормони, подаване на сигнали към щитовидната жлеза и контролиране на телесната температура, глада и съня. Съвременната наука има доста добро разбиране за това как тези процеси поддържат тегло в краткосрочен план чрез апетит, прием на храна и разход на енергия. За новото проучване изследователите искаха да видят как животни като сибирски хамстер поддържат тегло дългосрочно в годишен цикъл.

Стивънсън и Бао са работили заедно, за да интерпретират данните за това как са били изразени гените, търсейки разлики между пробите, взети от хамстери през летния и зимния период. След като Бао забеляза тези различия и установи кои биологични процеси могат да бъдат засегнати, тя се обърна към Стивънсън за валидиране.

„Нашето сътрудничество е доста динамично, като двупосочна улица“, каза Бао. „Бих му предал данните и бих попитал дали определен път има смисъл. Тогава той може да разпознае определена РНК молекула или кандидат-ген и да поиска повече информация. "

Те се стесниха в ген, наречен pomc. Години наред учените предполагат, че той участва в дългосрочно регулиране на теглото и енергийния баланс при много животни, но: „Именно стъпките, които контролират изразяването на помпата, бяха загадката“, каза Стивънсън. „Проучванията, които проектирахме, послужиха за запълване на пропуските и беше просто въпрос на свързване на точките.“

Тази верига от събития започва с хормона на щитовидната жлеза, който се нарича Т4. Хормонът Т4 е лесно достъпен в кръвния поток и когато количеството дневна светлина започне да се увеличава през пролетта, хамстерът произвежда ензими, наречени дейодинази. Тези ензими премахват йодната молекула от Т4 и я превръщат в по-мощен хормон, наречен Т3, който контролира активността на пома.

През лятото, увеличеното производство на Т3 позволява на хамстерите да станат плодовити, а също така увеличава активността на пиканта, което ги кара да наддават на тегло. Тъй като дните се съкращават през есента, производството на Т3 намалява, спирайки размножаването за предстоящата зима. Понижен T3 също или изключва pomc, което води до драстична загуба на тегло.

Стивънсън също сравнява генома на сибирския хамстер с други малки бозайници като мишки и полевки. Той забеляза много разлики между животните в моделите на последователността или мотивите в промоторната област на гена pomc. Тази част от ДНК в началото на генната последователност играе важна роля за това как тя се транскрибира в РНК и в крайна сметка как генът функционира. Сибирският хамстер споделя същия мотив с други сезонни животновъди, което предполага, че е от ключово значение за начина, по който се изразява pomc, за управление на адаптациите през лятото и зимата.

„Всички животни показват ниво на сезонна биология, включително хората. Това, което показват нашите констатации, при хамстерите е, че хормоните на щитовидната жлеза, действащи в мозъка, където се изразява pomc, осигуряват дългосрочното регулиране на енергийния баланс “, каза Стивънсън.

„Това, което е напълно очарователно, е, че този процес се е развил при някои животни, като хамстери и полевки, а не при други, като овце или хора. Това ни казва, че съществува голяма степен на променливост на генома при животните и показва силен специфичен за видовете контрол на дългосрочния енергиен баланс “, каза той.

В отделен набор от експерименти изследователите също ограничават количеството храна за хамстерите. Въпреки че това доведе до някои промени в мозъчната химия, това не оказа ефект върху експресията на пома. Само дългосрочните промени в продължителността на деня са имали ефект върху pomc.

Прендергаст каза, че модели като този правят сибирския хамстер интересен не само от начина, по който управлява сезонните адаптации, но и от управлението на телесното тегло като цяло.

„Изследователите, които изучават затлъстяването, трябва да обърнат внимание на този модел, защото това е животно, което става обратимо затлъстяло. Тогава тя може да загуби почти половината от телесното си тегло, когато продължителността на деня казва, че е време да отслабнете “, каза той. „Те са прекрасен пъзел за разбиране на всички тези процеси.“

Допълнителни автори включват Кенет Г. Ониши от Чикагския университет; Елизабета Тола от Университета в Глазгоу; Фран Дж. П. Еблинг от Университета в Нотингам; J. E. Lewis от университета в Кеймбридж; и Р. Л. Андерсън и Пери Барет от университета в Абърдийн.

Позоваване: „Последователност на генома и анализ на транскриптом на хипоталамуса на сибирски хамстер идентифицират механизми за сезонен енергиен баланс“, Tyler Stevenson et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 10 юни 2019 г.