Караси научились сбраживать сахар в спирт. Это помогает им пережить дефицит кислорода
Ученые из Университета Осло выяснили, какие молекулярные адаптации позволяют карасям и их ближайшим родственникам золотым рыбкам подолгу обходиться без кислорода. Оказалось, что благодаря удвоению генома у карасей в распоряжении оказались лишние копии ферментов окислительного метаболизма глюкозы, которые они превратили в ферменты спиртового брожения. Вместо того, чтобы окислять глюкозу до углекислого газа с участием кислорода, караси научились превращать ее в спирт примерно так, как это делают дрожжи. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.
Подавляющее большинство позвоночных животных не могут долго обходиться без кислорода, однако караси (рыбы из рода Carassius) известны способностью в таких условиях поддерживать жизнедеятельность в течение часов и даже месяцев. В поисках объяснения этому феномену ученые обнаружили, что караси и их родственники золотые рыбки накапливают в организме довольно большое количество этилового спирта.
Этанол является продуктом бескислородного окисления глюкозы – процесса, который известен как спиртовое брожение. На первой стадии глюкоза в реакциях гликолиза распадается на две молекулы пирувата с образованием небольшого количества энергии в форме АТФ. Дальше фермент пируватдекарбоксилаза превращает пируват в ацетальдегид, который превращается в этанол с участием алкогольдегидрогеназы.
Таким способом получают энергию дрожжи, практически не задействуя для этого митохондрии и проходящие в них реакции окисления пирувата, такие как окислительное фосфорилирование. Именно этот процесс требует присутствия кислорода. Он позволяет окислить молекулу глюкозы с максимальным выходом АТФ. Пируват в этом случае должен утилизироваться с участием фермента пируватдегидрогеназы.
Подавляющее большинство позвоночных животных использует для генерации энергии окислительное фосфорилирование. Если кислорода в тканях недостаточно, окисление глюкозы останавливается на гликолизе, а образовавшийся пируват превращается в молочную кислоту. Однако в высокой концентрации она достаточно токсична для тканей, поэтому мы не можем бесконечно окислять глюкозу без участия кислорода.
Норвержские ученые обнаружили, что караси в отсутствие кислорода, вместо того чтобы превращать пируват в лактат, превращают его в этанол, используя реакции спиртового брожения. Этот факт удивителен тем, что для этого нужна пируватдекарбоксилаза, которой у позвоночных нет. У карасей же подобной активностью, судя по всему, обладает дополнительная форма пируватдегидрогеназы. Восемь миллионов лет назад у предков современных карасей и карпов произошло удвоение генома, в результате чего они приобрели и дополнительные копии ферментов.
Авторы работы исследовали изменение экспрессии генов, кодирующих разные варианты субъединиц пируватдегидрогеназного комплекса, при содержании карасей в аквариуме без кислорода. Оказалось, что у карасей, которым не давали дышать, содержание мРНК «дополнительных» форм фермента увеличивалось на один-два порядка в мышцах по сравнению с другими органами. При этом у дальних родственников карасей – карпов – такого увеличения не наблюдалось (надо заметить, что карпы тоже могут довольно долго обходиться без кислорода, хотя до карасей им далеко).
Ученые сделали вывод, что дополнительные изоформы фермента, который у всех остальных позвоночных, в том числе рыб, функционирует как пируватдегидрогеназа, у представителей рода Carassius приобрели способность превращать пируват в ацетальдегид. Однако для того, чтобы закончить реакцию брожения, необходима также алкогольдегидрогеназа. В геноме карася исследователи обнаружили три варианта соответствующего гена, которые появились, по-видимому, также в результате дупликации. Один из этих вариантов действительно экспрессировался в мышцах рыбок.
Получившийся спирт рыбы, по-видимому, просто выводят через жабры. Однако в тканях все же накапливается значительное его количество, что делает карася и золотую рыбку привлекательным объектом для исследования механизмов толерантности к этанолу. Поддерживать минимальный уровень жизнедеятельности довольно долго рыбкам позволяет большой запас гликогена в печени.
Таким образом, в процессе эволюции караси и золотые рыбки приобрели уникальную для позвоночных способность утилизировать глюкозу с образованием спирта и таким образом обходиться без окислительного фосфорилирования, а значит и без кислорода. Это позволило карасям заселить непригодные для других видов экологические ниши, например, маленькие пруды, которые зимой полностью промерзают, а летом зарастают.
Недавно ученые выяснили, что голые землекопы также способны какое-то время обходиться без кислорода. В этом им помогла особенность метаболизма, характерная для растений.
Дарья Спасская
Но сработала только низкая доза
Ученые из США ввели макакам-резус белок Клото. Уровень сывороточного Клото вырос в пять раз после инъекции белка. В итоге обезьяны почти на 20 процентов лучше справились с задачей на память, и эффект не прошел даже после двух недель. Но если на мышах работали разные дозы белка, то макакам хватило 10 микрограмм на килограмм массы тела — большие дозы не улучшали память. Результаты опубликованы в Nature Aging. В конце 20 века ученые открыли белок Клото (Klotho), который назвали в честь древнегреческой богини, прядущей нить жизни. Выяснилось, что мыши с дефектным геном Klotho начинают стареть уже спустя 3–4 недели после рождения, а еще у них развивается остеопороз, атеросклероз и другие патологии, а к двум месяцам они умирают. Мыши, чрезмерно экспрессирующие Klotho, напротив, живут на 20–30 процентов дольше, а их память лучше. Еще сверхэкспрессия белка защищала мозг мышей от повреждений, связанных с болезнями Альцгеймера и Паркинсона. Люди с повышенными уровнями белка тоже живут дольше, их когнитивные способности лучше, а еще у них ниже риск развития деменции и болезни Альцгеймера. В организме синтезируется две формы белка Клото — трансмембранная и секретируемая. В крови еще циркулирует растворимая форма белка, которая получается, когда ферменты отрезают от трансмембранного белка кусок. Растворимая форма может действовать как гормон, влияя на сигналинг инсулина, фактора роста фибробластов (FGF), функцию Wnt и NMDAR. Растворимую форму Клото вводили мышам в виде инъекций, и это повышало синаптическую пластичность, улучшало познание и устойчивость нейронов к старению. Стейси Кастнер (Stacy A. Castner) из Йельской школы медицины и ее коллеги решили проверить, улучшится ли память у нечеловеческих приматов, макаков-резус (Macaca mulatta), если им подкожно ввести белок Клото. Макаки-резус, как и люди, страдают от возрастного когнитивного снижения, хотя и без значительной потери нейронов. Сначала белок Клото макак ученые ввели мышам — в дозировке 10 микрограмм белка на килограмм массы тела. В предыдущих исследованиях такая доза увеличивала синаптические и когнитивные функции мышей. Здесь спустя 4 часа у мышей улучшилась синтетическая пластичность и рабочая память, которую проверяли в У-образном лабиринте. Уровень белка Клото в сыворотке мышей после инъекции увеличился в шесть раз. Затем ученые попытались повысить уровень белка в сыворотке стареющих макак, которым было в среднем около 22 лет (что эквивалентно человеческим 65), до того же уровня. Для этого они вводили макакам разные дозы Клото: от 0,4 до 30 микрограмм на килограмм массы тела. Доза в 10 микрограмм на килограмм повысила уровень сывороточного белка в пять раз. Уровень Клото в человеческой пуповинной крови тоже примерно в пять раз выше, чем в крови взрослых, — поэтому на дозе в 10 микрограмм ученые и остановились. Обезьян учили запоминать расположение отсека с пищевым вознаграждением, и таким образом оценивали их рабочую память. Задачи с нормальной сложностью, в которых было от 4 до 7 отсеков, они выполняли успешно, но не всегда справлялись с повышенной сложностью, когда отсеков было уже от 6 до 9. Уже через четыре часа после однократной инъекции белка Клото макаки стали лучше решать задачу, особенно — ее сложный вариант. Процент правильных ответов в сложной задаче увеличился с 45 до почти 60 (P = 0,0077). Этот эффект сохранялся спустя две недели и не зависел от пола. А вот более высокие дозы — 20 и 30 микрограмм на килограмм массы тела — не привели к когнитивному улучшению у макак, но и хуже не сделали. В отличие от обезьян, на мышей в предыдущих исследованиях высокие дозы белка действовали положительно. Возможно, слишком высокие дозы нарушают метаболизм у нечеловеческих приматов. Авторы предположили, что когнитивного улучшения у людей также можно будет достичь с помощью небольших, физиологических доз гормона. Также ученым еще предстоит выяснить, как сигналы белка передаются в мозг, поскольку введенный в кровь Клото сам не пересекает гематоэнцефалический барьер. Не так давно ученым удалось улучшить рабочую память людей, посветив на мозг лазером — через кожу и череп. До стимуляции люди могли запомнить 3–4 фигуры на картинке, а после — 4–5.