Животные могут иметь больше одного способа выживания в условиях гипоксии

Способность приливно-отливного ракообразного выживать при кислородном голодании, несмотря на отсутствие ключевого набора генов, указывает на возможность существования у животных большего числа способов справляться с гипоксией, чем считалось ранее.

Результаты исследования учёных из Университета штата Орегон, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, важны, поскольку гипоксия — области с низким содержанием кислорода — становится всё более распространённой в мировых водах, в основном из-за антропогенных факторов, таких как сельскохозяйственные стоки, сжигание ископаемого топлива и сточные воды.

Гипоксия представляет серьёзную физиологическую проблему для животных. Эволюционно у них развились клеточные механизмы для реагирования на изменения уровня кислорода. Основным механизмом, который животные используют для восприятия и регуляции уровня кислорода, является HIF-путь (hypoxia-inducible factor).

Однако у тихоокеанского ракообразного Tigriopus californicus отсутствуют основные генетические компоненты HIF-пути, а также жабры или дыхательный пигмент — молекула (например, гемоглобин у человека), повышающая кислородную ёмкость крови. Тем не менее, он способен переносить экстремально низкий уровень кислорода в течение как минимум 24 часов как на личиночной, так и на взрослой стадиях.

Исследование предполагает, что T. californicus, возможно, полагается на другие гены, вовлечённые в реорганизацию кутикулы и метаболизм хитина, чтобы успешно реагировать на гипоксический стресс в своей приливно-отливной среде. Кутикула — это слой, выделяемый и покрывающий эпидермис (наружный слой кожи), а хитин составляет экзоскелет ракообразного.

РНК-секвенирование животных, подвергнутых условиям, близким к аноксии (крайней форме гипоксии), показало экспрессию более 400 генов. Гены метаболизма хитина и реорганизации кутикулы демонстрировали согласованные паттерны изменений во время аноксии.

«Этот путь — потенциальное решение этого маленького животного для условий низкого содержания кислорода», — сказал соавтор исследования Фелипе Баррето.

T. californicus стал отличной моделью для изучения физиологических адаптаций в морской среде, отметила ведущий автор исследования Алли Грэм.

«Гипоксия в океанских водах быстро растёт по распространённости, частоте и серьёзности, — сказала Грэм. — Некоторые прибрежные экосистемы даже достигают уровня аноксии сезонно. Низкий кислород затрудняет жизнь для широкого круга организмов, и, как правило, рыбы и ракообразные имеют самый низкий уровень толерантности».

T. californicus обитает в лужах, которые пополняются в основном за счёт волн, а не приливов, что подвергает его и других обитателей экстремальному стрессу не только из-за низкого кислорода, но и из-за колебаний солёности, кислотности и температуры.

«Без респираторных структур или пигмента T. californicus, вероятно, полагается на кожную диффузию для обмена углекислого газа на кислород, — пояснила Грэм. — Его физиология может объяснить, как он может переносить потерю этого критического HIF-пути и, в свою очередь, задействовал другие механизмы клеточного ответа на стресс, чтобы поддерживать стабильный уровень кислорода».

«Как для человека, который посвятил большую часть своей докторской работы обсуждению важности HIF-пути для животных в средах с ограниченным кислородом, это, конечно, был огромный шок — не найти эти гены в геноме T. californicus, — добавила она. — Современная литература обсуждает этот путь как нечто само собой разумеющееся для всех животных, что для позвоночных имеет решающее значение для развития кровеносных сосудов и даже играет роль в биологии опухолей. Поэтому отсутствие этих генов, сердца HIF-пути, интригует».