Cercetările efectuate la hibernarea animalelor descoperă legături între metabolism și lungimea telomerilor, care se scurtează pe măsură ce îmbătrânim. Stresul oxidativ, care a fost legat de scurtarea telomerilor, are, de asemenea, mult de-a face cu metabolismul - inclusiv ceea ce mâncăm și când îl consumăm. Perioadele de hibernare (și postul?!) Reduc stresul oxidativ și pot păstra telomerii în timp.

Acesta este un post pe blog de Sara Wilbur, editat de Paige Jarreau la LifeOmic. Sara măsoară pentru prima dată lungimea telomerilor în veverițele de pământ arctice pentru lucrarea de masterat de la Universitatea din Alaska Fairbanks. Vara trecută, Sara a călătorit cu o echipă de cercetători la stația de teren Toolik pentru a captura 25 de veverițe solare arctice libere. Veveritele au fost adăpostite la Universitatea din Alaska Fairbanks pe tot parcursul sezonului lor de hibernare și dezvăluie indicii despre modul în care metabolismul și lungimea telomerilor (capacele ADN de protecție de la capătul cromozomilor care se scurtează odată cu îmbătrânirea) ar putea fi conectate. Aceste veverițe pot avea telomeri foarte lungi, poate datorită somnurilor lor lungi. Metabolismul și rotația celulară au fost implicate în scurtarea telomerilor ... de aici și interesul cercetării pentru hibernatori!

învăța

Ridică-te, privește afară. Fiecare organism pe care îl puteți vedea, și multe dintre cele pe care nu le puteți, sunt echipate cu „ceasuri” infinit de mici, care urmăresc vârsta fiecărei celule. Aceste ceasuri sunt cunoscute sub numele de telomeri, care sunt secvențe repetitive de ADN care protejează capetele cromozomilor - structurile care organizează genele noastre - de degradare. Vă puteți gândi la ele ca la agletele din plastic sau metal care vă acoperă capetele șireturilor și le protejează de spargere. Dacă cromozomii tăi ar fi șireturi, agletele ar fi telomerii.

În toate eucariotele sau organismele cu un nucleu legat de membrană (de la drojdie la veverițe la sol până la oameni), secvența telomerilor este identică: TTAGGG, repetat de mii de ori. Deoarece telomerii dintr-o celulă se scurtează în timp din cauza diviziunii celulare normale și a stresului metabolic, sunt activate căile moleculare care determină celula să înceteze diviziunea - o stare cunoscută sub numele de senescență - sau să moară. O acumulare de celule senescente în cadrul unui organism este legată de îmbătrânirea și multe tipuri de boli degenerative.

Pentru a menține telomerii intacti în celulele stem și celulele germinale, o enzimă cunoscută sub numele de telomerază poate fi recrutată în telomeri pentru a înlocui nucleotidele pierdute. Deși utilă în aceste celule progenitoare, telomeraza hiperactivă din celulele noastre somatice (corpului) pune o problemă: 50-100% dintre tumori (în funcție de țesut) au activitate telomerază detectabilă. În mod ciudat, atât telomerii scurți (care provoacă acumularea de celule senescente), cât și telomerii lungi (menținuți mult timp prin activitate telomerazică inadecvată) sunt implicați în dezvoltarea cancerului.

După descoperirea lor la sfârșitul anilor 1970 de către Elizabeth Blackburn și Joseph Gall, telomerii au fascinat geneticienii și, din ce în ce mai mult, publicul. Cercetătorii sunt curioși despre modul în care lungimea telomerilor se schimbă în timp, implicațiile telomerilor degradați pentru inițierea și progresia cancerului și lungimea telomerilor în fața provocărilor fiziologice, cum ar fi stresul oxidativ. Oamenii de știință și publicul larg sunt interesați de modul în care lungimea telomerilor ar putea prezice longevitatea și modul în care stilul de viață ar putea afecta integritatea lor.

Din păcate, nu pare să existe o relație simplă și directă între lungimea telomerilor și cât de vechi este un organism. În general, telomerii se scurtează odată cu vârsta și majoritatea impozitelor. Cu toate acestea, lungimile telomerilor a doi indivizi din aceeași specie potriviți în funcție de vârstă pot fi foarte variabile și pot diferi între țesuturi pe baza geneticii, a ratei variabile de diviziune celulară, a nivelului de deteriorare a ADN-ului specific telomerilor sau a diferențelor în modul în care celulele răspund la scurtarea telomerilor. De exemplu, tatăl tău, la 70 de ani, ar putea avea telomeri mai lungi în unele țesuturi decât tine, la 30 de ani, în funcție de factorii enumerați mai sus.

Elucidarea mecanismelor care afectează scurtarea telomerilor, în special prin studii in vivo pe o gamă largă de organisme model, ne ajută să înțelegem acest proces dinamic și complex. O astfel de lucrare poate lumina într-o bună zi o legătură robustă între lungimea telomerilor și longevitate.

Un factor între lungimea telomerilor și longevitate ar putea fi metabolismul ...

Sunt student la Universitatea din Alaska Fairbanks. Lucrarea mea se concentrează pe dinamica lungimii telomerilor în cel mai extrem hibernator de mamifere de pe Pământ, veverița de sol arctică (Urocitellus parryii). Acest animal hibernează și supraviețuiește prin temperaturi sub-înghețate mai mult de jumătate din fiecare an!

Mi-am găsit inspirația pentru cercetările mele la Simpozionul internațional de hibernare 2016 din Las Vegas. Fiziologul Thomas Ruf de la Universitatea de Medicină Veterinară din Viena a împărtășit noi cercetări privind dinamica telomerilor într-un hibernator temperat, dormitorul comestibil. Cu ADN extras din celulele obrazului la pre- și post-hibernare, cercetătorii vienezi au descoperit că lungimea telomerilor a scăzut de-a lungul unui an și că acest efect a fost cel mai bine explicat printr-o serie de excitații (cu alte cuvinte, gâtul care a trezit mai mult în timpul hibernării scurtare mai mare a telomerilor). Printr-o serie norocoasă de evenimente, am putut călători la Viena în 2017 pentru a lucra cu Ruf și colegii la dezvoltarea propriului test pentru măsurarea lungimii telomerilor la veverițele solare arctice hibernante.

Hibernarea este o stare de repaus prelungit, reprezentată cel mai faimos de urs. Veverițele de la sol sunt, de asemenea, hibernatori excepționali, care se retrag în vizuiniile lor timp de 7-8 luni din an și trăiesc doar din rezervele de grăsime. [Notă editorului: cam ca tine când postim noaptea! Doar mult mai extrem ...] Deși aparențele exterioare sugerează că veverițele solide sunt complet inactive, fiziologia lor de bază este remarcabil de dinamică.

Hibernarea în veverița terestră arctică poate fi împărțită în două faze alternative: torpor sau o stare metabolică profund liniștită, cu ritm cardiac foarte scăzut și temperatură internă și excitare, o revenire scurtă, dar dramatică, la metabolismul activ al sezonului. Veverițele solare arctice experimentează între 12 și 15 excitații de-a lungul fiecărui sezon de hibernare, dar își petrec majoritatea timpului la temperaturi corporale de până la -2,9 ° C (26,8 ° F).

Veverițele solare arctice au buzunare mari de țesut adipos maro (BAT) stocate în jurul inimii și trunchiului cerebral. Când o veveriță începe să se trezească (notă laterală: nimeni nu este destul de sigur de ce hibernatorii se reîncălzesc periodic sau ce declanșează acest lucru. Cercetările actuale de la Universitatea din Alaska Fairbanks încearcă să descopere o bucată din acel mister!), Se încălzește mai întâi prin -tremogeneză tremurândă sau producție de căldură internă, care are loc în BAT.

Mitocondriile - organitele care furnizează energie celulară sub formă de adenozin trifosfat sau ATP - se găsesc din abundență în BAT. Mitocondriile din BAT intră în exces în timpul unei excitări, producând căldură în plus față de ATP. Odată ce animalul atinge o anumită temperatură, începe să tremure, creând și mai multă căldură internă. În cele din urmă, animalul atinge temperatura corpului „normală”, rămâne acolo câteva ore și apoi își scade încet metabolismul și temperatura corpului din nou pentru a se pregăti pentru următoarea luptă de toropeală.

Nu vă faceți griji - ajungem la ce legătură au hibernarea, mitocondriile și grăsimea brună cu îmbătrânirea! (Sfat: Metabolism.)

Printr-un proces cunoscut sub numele de respirație oxidativă, mitocondriile din grăsimea brună sunt responsabile pentru energia și căldura necesare pentru a scoate o veveriță de pământ arctică din torporație. Cu toate acestea, respirația oxidativă are dezavantajele sale. Moleculele de oxigen reactiv extrem de instabile produse ca subprodus al respirației oxidative pot interacționa cu și degradează lipidele, proteinele și acizii nucleici. Telomerele, situate la capetele cromozomilor noștri și bogate în guanină (nucleotida cea mai susceptibilă la oxidare), sunt considerate ținte principale pentru deteriorarea oxidativă prin speciile reactive de oxigen.

Oxidarea nu este singurul mod în care aceste secvențe terminale pot fi degradate. Telomerii se scurtează cu câteva perechi de baze cu fiecare rundă de diviziune celulară datorită unui sistem de replicare ADN inerent incomplet. De-a lungul timpului și peste multe divizii, telomerii devin din ce în ce mai scurți, declanșând în cele din urmă senescența celulară sau o stare permanentă de diviziune celulară blocată.

Studiile arată că hibernatorii, cum ar fi veveritele solare arctice, experimentează sarcini mari de stres oxidativ și rate mai mari de diviziune celulară în timpul excitării. Ambele procese pot afecta în special țesuturile care alimentează aceste evenimente de reîncălzire, cum ar fi BAT. Dacă acest lucru este adevărat, telomerii se pot scurta într-un grad mai mare în BAT decât alte țesuturi care nu sunt direct implicate în excitări și nu se pot degrada la fel de mult în țesuturile periferice care nu sunt implicate în reîncălzire. O astfel de scurtare potențială a telomerilor specifici țesuturilor într-un hibernator, cum ar fi veverita arctică, prezintă un sistem natural perfect pentru a studia modul în care telomerii se schimbă in vivo, mai degrabă decât într-o cutie Petri. Pentru a înțelege cu adevărat modul în care lungimea telomerilor se schimbă la nivel individual pe măsură ce îmbătrânim, este esențial ca cercetătorii să cuantifice schimbarea lungimii telomerilor pe bază de țesut, deoarece țesuturile din toate organismele diferă în ceea ce privește ratele lor de diviziune celulară și pot prezenta diferite niveluri de stresul metabolic.

Deși cercetarea telomerilor a explodat încă din anii 1970, aplicațiile de sănătate ale lungimii telomerilor rămân în mare parte nerezolvate. Oricât de mult am dori să folosim lungimea telomerilor ca un simplu biomarker pentru longevitatea proiectată, oamenii de știință încă dezbat utilitatea integrității telomerilor în prezicerea modului și cât de repede îmbătrânesc oamenii. Mai mult, deși sa stabilit bine că stresul oxidativ are impact asupra lungimii telomerilor in vitro, studiile in vivo sunt comparativ mai puțin concludente. Acest lucru nu înseamnă că lungimea telomerilor este un instrument de diagnostic inutil, sau că ipoteza de scurtare a stresului oxidativ-telomerilor scade. Cred că urmărirea mai multor studii in vivo pe o gamă largă de organisme, în loc să ne bazăm exclusiv pe culturi celulare și pe animale comune de laborator, va oferi o imagine mai nuanțată, completă și mai interesantă a modului în care oamenii îmbătrânesc și ce ne pot spune telomerii despre acest lucru proces.

Pentru a înțelege o problemă complexă, este bine să începeți simplu. Fiziologia hibernării veveriței solului din Arctica este dinamică, dar bine reglementată și previzibilă. Așa cum s-a descris mai sus, excitațiile sunt inițiate de BAT. Odată ce începe reîncălzirea, organele implicate în procesarea subproduselor metabolice, cum ar fi ficatul, încep să lucreze. Bătăile inimii cresc și sângele începe să pompeze mai rapid. În cele din urmă, veverița este la fel de caldă ca atunci când se scotură între vizuini sub soarele de la miezul nopții. BAT, ficatul și inima sunt astfel implicate intim în încălzirea animalului. Alte țesuturi, cum ar fi pielea, nu se încălzesc până la sfârșitul unei excitații, dar nu sunt direct implicate în procesul de excitare. Cuantificarea dinamicii telomerilor între diferite țesuturi poate ajuta cercetătorii să identifice modul în care telomerii se schimbă în funcție de sarcina metabolică experimentată de țesutul din care au fost extrase.

Oamenii, pe de altă parte, sunt sisteme mai sălbatice și nu avem astfel de fluctuații programate în fiziologia noastră. Suntem creaturi extrem de variabile, alegând să punem cartofi într-o zi în timp ce ne antrenăm pentru maratonul viitor. Chiar și cel mai programat dintre speciile noastre este puțin probabil să mențină modele stricte de metabolism ridicat și stază timp de opt luni consecutive, așa cum o fac veverițele solare arctice. Aceste animale se potrivesc facturii pentru un model de cercetare vie, respirație, care prezintă, de asemenea, fiziologie foarte modelată și stres oxidativ specific țesutului pentru o mare parte a anului. Astfel, determinarea dinamicii telomerilor la nivelul țesutului la un animal hibernant oferă o bază utilă pentru a răspunde la întrebări privind lungimea telomerilor umani, stresul oxidativ și longevitatea.

Un pic mai mult despre mine și despre cercetările mele: m-am întors în orașul meu natal Fairbanks, Alaska, în 2016, pentru a mă cufunda în lumea incredibilă a hibernării veveriței solului arctice. Deși cercetările mele universitare s-au concentrat pe fotosinteză și pe caracteristicile creșterii plantelor, am pășit în lumea fiziologiei animalelor pentru a răspunde unor minuni de bază despre capetele extrem de specializate și complicate ale cromozomilor veveriței. Când nu pipetez sau nu curăț caca de veveriță în campus, mă poți găsi prindând veverițe sau curățând caca de veveriță la stația Toolik Field din nordul Alaska.

Încă în faza de colectare a datelor (rezultatele preliminare sugerează că telomerele veveriței solului arctice sunt destul de lungi!), Sper să-mi analizez rezultatele în această vară și să absolvesc în primăvara anului 2019.

Aflați mai multe despre metabolism și îmbătrânire cu aplicația LIFE.