Сезонные изменения мозга землеройки связаны со сдвигами в экспрессии генов

Новое исследование показывает, как обыкновенная бурозубка (Sorex araneus) меняет размер мозга и тела в течение года. Исследование, опубликованное в eLife, раскрывает, как изменения в экспрессии генов позволяют этим мелким млекопитающим уменьшать мозг зимой и восстанавливать его весной, что противоречит типичной для млекопитающих модели, когда размер органов не меняется. Результаты дают генетические ключи к пониманию неврологического и метаболического здоровья у млекопитающих.

Работа исследует молекулярные основы явления Дехнеля — редкой адаптации, при которой мозг, череп и другие органы землеройки уменьшаются до 30%, экономя энергию в условиях низких температур и нехватки пищи. В то время как большинство других мелких млекопитающих впадают в спячку или мигрируют, землеройка остается активной, полагаясь на это изменение размера для снижения энергопотребления при сохранении гиперактивного метаболизма.

Исследование возглавили Уильям Р. Томас, Ph.D., и профессор Лиллиана М. Давалос, Ph.D., из Университета Стоуни-Брук. Ученые сосредоточились на изучении гипоталамуса — области мозга, регулирующей энергетический баланс. Они измерили, как экспрессия генов меняется сезонно у землеройки, а также у различных видов млекопитающих, включая человека.

«Мы создали уникальный набор данных, позволивший сравнить гипоталамус землеройки в разные сезоны и между видами, — говорит Томас. — Мы обнаружили набор генов, меняющихся в зависимости от сезона, которые участвуют в регуляции энергетического гомеостаза, а также гены, регулирующие гибель клеток, что, как мы предполагаем, может быть связано с уменьшением размера мозга».

Команда также обнаружила, что гены, участвующие в поддержании гемато-энцефалического барьера и кальциевой сигнализации, были ап-регулированы (имели более высокую экспрессию) у землеройки по сравнению со многими другими млекопитающими.

Гемато-энцефалический барьер регулирует проникновение веществ в мозг, а кальциевая сигнализация передает эти сигналы. Таким образом, эти эволюционные изменения могут позволять гипоталамусу эффективно ощущать и управлять энергией, удовлетворяя высокие метаболические потребности землеройки.

Связь с неврологическими заболеваниями человека

Томас и Давалос полагают, что результаты открывают новые возможности для понимания неврологических заболеваний у человека, а определенные гены, идентифицированные у землеройки, могут быть важными кандидатами для будущей терапии.

Несколько генов, играющих роль в неврологических и метаболических расстройствах у человека, включая CCDC22, варьировались в зависимости от сезона и были ап-регулированы у землеройки. CCDC22 играет ключевую роль в рециклинге белков в клетках. Нарушение этого процесса приводит к агрегации белков, что является признаком таких заболеваний, как БАС, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.

Ученые предполагают, что регуляция этого гена в мозге землеройки может служить нейропротекторным механизмом, особенно важным во время восстановления массы мозга.

Томас также поясняет, что у людей хроническая метаболическая дисфункция часто связана с развитием и прогрессированием неврологических заболеваний. Изучая, как гипоталамус землеройки уменьшается и восстанавливается, исследователи могут лучше понять, как метаболические сдвиги влияют на размер мозга, в надежде, что эти знания однажды помогут разработать стратегии обращения подобных изменений у стареющих людей.

Для идентификации генов, вовлеченных в процесс уменьшения мозга, использовались различные методы: экстракция РНК, секвенирование и выявление дифференциальной экспрессии генов между сезонами и видами.

Команда планирует продолжать исследования в двух направлениях:

1. Совместно с коллабораторами они будут развивать инфраструктуру для изучения фенотипа землеройки, чтобы лучше исследовать физиологические и анатомические изменения, связанные с размером мозга. Уже ведется работа по созданию атласа землеройки, включающего данные МРТ, гистологии и экспрессии генов.
2. Исследователи продолжат изучать, как гены эволюционировали у землеройки по сравнению с другими млекопитающими. Для этого они планируют сравнить эволюцию генов и провести функциональные тесты на клеточных линиях, чтобы определить, играют ли изменения экспрессии генов схожие роли в физиологии мозга.