Исследователи обнаружили ген, который позволяет клеткам млекопитающих выживать в течение длительного времени при экстремально низких температурах, которые животные испытывают во время спячки. Температура тела ниже 10 градусов Цельсия (°C) быстро становится смертельной для человека и многих других млекопитающих, поскольку длительный холодовой стресс приводит к накоплению в клетках повреждающих свободных радикалов, в частности перекисных радикалов липидов, что приводит к гибели клеток и отказу органов.
Однако некоторые виды млекопитающих могут пережить холодовой стресс, впадая в спячку, которая у многих включает в себя циклы от нескольких дней до нескольких недель глубокого оцепенения. При этом животные перестают двигаться, а температура их тела падает до крайне низкого уровня, перемежаясь короткими периодами нормальной температуры тела и активности.
Исследование, проведенное под руководством доцента Масамицу Соне и профессора Йошифуми Ямагучи из Университета Хоккайдо (Япония), выявило ключевой ген, который помогает впадающим в спячку сирийским хомячкам (Mesocricetus auratus) избежать гибели клеток, вызванной холодом. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Death and Disease.
Чтобы идентифицировать ген, исследователи сначала создали чувствительные к холоду раковые клетки человека, несущие гены устойчивых к холоду клеток хомяков, а затем подвергли человеческие клетки повторному воздействию длительного холода и повторному согреванию. Проанализировав геномы человеческих клеток, переживших воздействие холода и повторное согревание, команда смогла определить гены хомяка, которые были включены в геном человеческих клеток и позволили пережить холод.
Этот анализ выявил вероятного кандидата: ген, кодирующий глутатионпероксидазу 4 (Gpx4), один из семейства белков, которые, как уже известно, снижают воздействие реактивных видов кислорода в клетках млекопитающих. Когда активность этого гена подавлялась в клетках хомячков либо путем создания нокаутирующей версии, либо путем химического подавления его активности, клетки могли выдержать лишь более короткие периоды воздействия экстремального холода – два дня вместо пяти – прежде чем погибали из-за накопления перекиси липидов.
Gpx4 экспрессируется в клетках человека и хомяков, но только хомяки могут впадать в спячку, поэтому команда исследователей изучила, не отличается ли поведение Gpx4 человека и Gpx4 хомяка. Интересно, что они обнаружили, что даже человеческий Gpx4 может обеспечивать защиту от холода при сверхэкспрессии в клетках человека.
«До сих пор остается открытым вопрос, почему негибернаторные клетки гораздо более уязвимы к холодовому стрессу, чем гибернаторные, даже если уровни экспрессии белка Gpx4 сопоставимы», – говорит Соун.
Эти результаты – первый шаг к окончательному пониманию загадки того, как некоторые млекопитающие способны благополучно впадать в спячку в условиях сильного холода. Это открытие может иметь потенциальное применение для здоровья человека, например, для улучшения долгосрочного сохранения органов для трансплантации с помощью низких температур или для использования гипотермии в качестве терапевтического средства.
[Фото: hibernation metabolism, physiology, and development group, Hokkaido University]