Niezwykła fizjologia hibernujących niedźwiedzi

Cytaty z artykułu są wcięte:

Jednak dla wielu naukowców prawdziwa fascynacja Tygodnia Grubego Niedźwiedzia wiąże się z tym, co dzieje się dalej, kiedy misie w kształcie piłki plażowej, z około 40 procent tkanki tłuszczowej, kryją się w swoich norach i zaczynają zimowy sen. Podczas hibernacji pozostają zdrowe w warunkach, które osłabiłyby i spowodowały choroby ludzi. Niedźwiedzie wyłaniają się kilka miesięcy później, chude, silne i ledwo dotknięte przez miesiące głodu i bezczynności.

Do niedawna naukowcy nie potrafili wyjaśnić, jak to się dzieje. Jednak kilka fascynujących nowych badań molekularnych sugeruje, że hibernacja zmienia metabolizm i aktywność genów w wyjątkowy i radykalny sposób, który może mieć znaczenie dla ludzi. Grube niedźwiedzie mogą pogłębić naszą wiedzę na temat cukrzycy, zaniku mięśni, braku aktywności i pomysłowości ewolucji.

Pozornie hibernujące niedźwiedzie wydają się bierne i bezwładne. Przez co najmniej pięć miesięcy nie jedzą, nie piją, nie oddają moczu, nie wypróżniają się ani nie ruszają się, z wyjątkiem sporadycznego odwracania się lub dreszczy. Ich metabolizm spada o około 75 procent. Serca biją i płuca napełniają się powietrzem tylko kilka razy na minutę. Nerki się wyłączają. Niedźwiedzie stają się bardzo odporne na insulinę.

Gdybyśmy to byli my, stracilibyśmy znaczną część naszej masy mięśniowej z powodu braku aktywności i prawdopodobnie zachorowalibyśmy na cukrzycę, choroby serca, niewydolność nerek, osłabienie i inne dolegliwości.

Ale niedźwiedzie zachowują swoje mięśnie i po hibernacji szybko przywracają normalną, zdrową wrażliwość na insulinę i normalne funkcjonowanie narządów.

Insulina działa, aby umożliwić komórkom wchłanianie glukozy z krwi w celu wykorzystania jej jako energii lub przekształcenia części glukozy w tłuszcz. Pomaga również rozkładać tłuszcze i białka. Normalnie początek insulinooporności, jak sugeruje artykuł, prowadziłby do cukrzycy i związanych z nią problemów, ale niedźwiedzie są w jakiś sposób w stanie to tolerować – podobnie jak atrofia mięśni towarzysząca bezruchowi przez pięć miesięcy. (Zanik mięśni jest problemem dla osób sparaliżowanych lub przykutych do łóżka przez długi czas.)

Jak niedźwiedzie to robią? O to właśnie chodzi w artykule, który daje linki do trzech artykułów naukowych (jeden podany poniżej) wyjaśniających, w jaki sposób niedźwiedzie przeżywają hibernację.

Informacje na temat zużycia tłuszczu pochodzą z próbek krwi pobranych od hibernujących i niehibernujących niedźwiedzi na Washington State University (WSU), niedźwiedzi przeszkolonych, by pozwalały na pobieranie krwi bez znieczulenia. (Zgaduję, że niedźwiedzie WSU również przechodzą w stan hibernacji.)

Okazuje się, że podczas hibernacji u niedźwiedzi zachodzi zróżnicowana aktywacja genów, która chroni je przed szkodliwymi skutkami hibernacji. Oto dwa cytowane artykuły:

Porównując próbki, [badacze] doszli do wniosku, że hibernacja jest biologicznie niesamowita. W badaniu z 2019 roku naukowcy z WSU i inni odkryli ponad 10 000 genów u niedźwiedzi, które działają inaczej podczas hibernacji niż jesienią lub wiosną. Wiele z nich wiąże się z aktywnością insuliny i wydatkowaniem energii, a większość występuje w tłuszczu zwierząt, który podczas hibernacji staje się całkiem odporny na insulinę i zaraz po wiosennym obudzeniu silnie wrażliwy na insulinę.

Zagłębiając się bardziej w ten proces w ramach nowego badania, opublikowanego we wrześniu w iScience, badacze kąpali komórki tłuszczowe pobrane od hibernujących i aktywnych niedźwiedzi w surowicy krwi pobranej w czasie przeciwstawnym i obserwowali jak tłuszcz zmieniał sezon. Tłuszcz z hibernujących niedźwiedzi stał się wrażliwy na insulinę i genetycznie podobny do tłuszczu z okresu aktywności i na odwrót.

Innymi słowy, coś w surowicy krwi niehibernujących niedźwiedzi przywróciło wrażliwość na insulinę hibernujących niedźwiedzi i na odwrót. To pokazuje, że podczas hibernacji zmienia się coś w surowicy, a nie w tłuszczu. Autor artykułu kontynuuje:

Być może najbardziej przekonujące jest to, że zidentyfikowali i porównali setki białek we krwi zwierząt i znaleźli osiem, które różniły się znacznie pod względem obfitości w zależności od pory roku. Te osiem białek wydaje się napędzać większość zmian genetycznych i metabolicznych w tłuszczu.

Oczywiście korelacja nie przesądza o przyczynowości i wątpię, czy 10 000 genów jest zaangażowanych w faktyczne wywoływanie hibernacji lub łagodzenie jej skutków. (W końcu ludzie mają tylko około 25 000 genów kodujących białka – więcej, jeśli dodasz jako „geny” fragmenty DNA, które coś robią, ale nie produkują białek – a niedźwiedzie nie mogą się tak bardzo różnić od nas). Mogą wystąpić zmiany w tak wielu genach, ale wiele z nich może być po prostu efektami ubocznymi doboru naturalnego, który zmienia ekspresję znacznie mniejszej liczby genów.

Jest jednak jasne, że geny zaangażowane w używanie insuliny i wrażliwość działają inaczej u niedźwiedzi hibernujących niż niehibernujących. Jakie są sygnały, które włączają i wyłączają te geny? Wątpię, czy wiemy, a artykuł tego nie mówi, ale przypuszczam, że ma to związek z czynnikami środowiskowymi wskazującymi na zbliżające się nadejście wiosny lub jesieni: sygnały oparte na długości dnia lub temperaturze.

Ale co z mięśniami niedźwiedzi ? Dlaczego nie ulegają atrofii? Znowu jest to spowodowane (tak jak musi być) zróżnicowaną aktywacją genów. I znowu odpowiedzialne produkty genowe wydają się krążyć w surowicy krwi.

Poniższy artykuł z PLoS ONE (kliknij na link pod zrzutem ekranu, aby przeczytać; pdf tutaj), dotyczy zarówno surowicy krwi, jak i genów zaangażowanych w utrzymanie mięśni.

Japońscy naukowcy kąpali wyhodowane ludzkie komórki mięśni szkieletowych w surowicy z hibernujących lub niehibernujących niedźwiedzi czarnych. Odkryli znacznie mniejszą degradację białka, gdy użyto surowicy hibernujących niedźwiedzi. Wydaje się, że jest to oparte na indukowanym przez geny spadku poziomu dwóch białek i zwiększeniu poziomu jeszcze innego białka, które działają wspólnie w celu zachowania poziomów białek w hodowanych komórkach. (Wytworzone w zmniejszonej ilości białko niszczy mięśnie, podczas gdy inne promują i podtrzymują wzrost mięśni.) Ogólnie rzecz biorąc, zmiany w działaniu genów wydają się utrzymywać mięśnie hibernujących niedźwiedzi w nienaruszonym stanie.

Oczywiście, są to hodowane komórki ludzkie, a nie niedźwiedzie, a eksperyment przeprowadzono in vitro, a nie in vivo, ale daje to bardzo obiecującą wskazówkę tego, jak niedźwiedzie utrzymują silne mięśnie podczas hibernacji.

W artykule „Washington Post” autor przedstawia również potencjalne zastosowania tych informacji dla zdrowia ludzkiego.

Tłuszcz 

Potencjalnie te same osiem białek, które pojawiają się również w ludzkiej krwi, mogą w pewnym momencie zostać wykorzystane farmaceutycznie w celu poprawy wrażliwości na insulinę lub leczenia cukrzycy i innych zaburzeń metabolicznych u ludzi, powiedział Kelley. Ale ta możliwość to daleka  przyszłość i wymaga znacznie więcej badań z niedźwiedziami i nami (choć może lepiej nie tuż obok siebie).

Mięśnie

Ostatecznym celem tych badań, jak powiedział [autor] Miyazaki, jest wyizolowanie i udoskonalenie wszystkich substancji i procesów w krwi hibernujących niedźwiedzi i innych miejscach w ich ciałach, które chronią je przed zanikiem mięśni, z nadzieją, że te same elementy mogą leczyć atrofię spowodowaną leżeniem w łóżku lub starzeniem się u ludzi.

„Prawdopodobnie nie ma lepszego sposobu na utrzymanie zdrowego stylu życia niż poprzez ćwiczenia fizyczne”, powiedział, ale osobom, które z jakiegoś powodu nie mogą być aktywne, działania organizmów drzemiących niedźwiedzi mogą pewnego dnia dostarczyć ochrony przed osłabieniem.

Należy pamiętać, że te niezwykłe zmiany są z pewnością spowodowane ewolucją poprzez dobór naturalny, ponieważ trudno wyobrazić sobie losowy proces, taki jak dryf genetyczny, powodujący zmiany ewolucyjne, które z pewnością są adaptacyjne.

Jak podkreślał Ernst Mayr, wiele ważnych zmian ewolucyjnych u zwierząt zaczyna się od zmiany zachowania. Być może niedźwiedzie na zimnych obszarach przeżyły lepiej, jeśli przeszły okres niskiej aktywności w okresie zimowym, kiedy brakuje pożywienia (ta zmiana behawioralna może odzwierciedlać zmienność genetyczną), a wtedy te spokojne niedźwiedzie, które również miały mutacje wpływające na metabolizm tłuszczu i mięśni mogły przetrwać hibernację, pozostawiając swoje geny przyszłym pokoleniom niedźwiedzi.

______________

Miyazaki M, Shimozuru M, Tsubota T. (2022) Supplementing cultured human myotubes with hibernating bear serum results in increased protein content by modulating Akt/FOXO3a signaling. PLoS ONE 17(1): e0263085. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0263085

The remarkable physiology of hibernating bears

Why Evolution Is True, 11 października 2022

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska