Хотя сердце человека бьется с разной частотой в зависимости от обстоятельств, этот диапазон остается довольно узким. Человеческий организм не переносит слишком быстрого ритма, поскольку сердечная мышца не успевает наполниться кровью между сокращениями во время диастолы, то есть в фазе расслабления. Однако у таких животных, как землеройки, частота сердцебиений в покое может превышать 1000 ударов в минуту, не вызывая негативных последствий. Как это стало возможным, недавно выяснила международная группа ученых.
Исследование, проливающее свет на генетический механизм экстремально высоких значений ЧСС в покое у некоторых мелких млекопитающих, вышло в журнале Science. Его авторы — Уильям Джойс (William Joyce) из Орхусского университета (Дании), Кевин Кэмпбелл (Kevin Campbell) из Университете Манитобы (Канада) вместе с коллегами из Китая и США — установили, что к такому результату привели эволюционные изменения в сердечном тропонине I (cTnl), ключевом белке сердца, участвующем в его сокращении.
«Мы обнаружили, что у землероек и близкородственных им кротов отсутствует важнейшая часть сердечного белка, регулирующего время расслабления сердца. Эта потеря, произошедшая в процессе эволюции, лишила их механизма, тормозящего расслабление сердечной мышцы, что и позволило их сердцам биться гораздо чаще», — пояснили исследователи.
Тропониновый комплекс регулирует сокращение сердца, связываясь с ионами кальция. Последние необходимы для передачи нервного импульса и инициации мышечного сокращения, поэтому критически важны для сердечной функции.
У большинства млекопитающих в этом сердечном белке содержатся две специфические сериновые аминокислоты. Они могут временно меняться под влиянием гормонов, таких как адреналин, вырабатываемых при стрессе или физической активности. За счет подобных изменений в мышечных волокнах ускоряется высвобождение ионов кальция после сокращения, что позволяет сердечной мышце быстрее расслабиться и дает больше времени для наполнения кровью между ударами.
Однако у раннего предка землероек участок ДНК, кодирующий два серина, деактивировался. В результате сердечный белок стал всегда функционировать словно под действием адреналина, даже если животное отдыхает. За счет этого землеройки и достигли экстремальной частоты сердечных сокращений.
Для лучшего понимания механизма исследователи также изучили сердечный белок летучих мышей. Как и у землероек, ЧСС у этих рукокрылых может превышать 1000 ударов в минуту. Анализы показали, что некоторые виды летучих мышей способны пропускать фрагмент ДНК, в котором закодированы сериновые аминокислоты, в процессе формирования белка.
По мнению ученых, этим же отличались древние землеройки и кроты. Постепенно во время эволюции сердечный тропонин I у них полностью утратил соответствующую область генома, после чего их сердца стали биться быстрее.
На следующем этапе авторы планируют изучить варианты применения своих открытий в биомедицинских целях. Исследователи хотят воспроизвести генетические модификации тропонина I, выявленные у летучих мышей, в модельных организмах, чтобы сымитировать связанные с этим преимущества. Ученые надеются, что в итоге результаты исследования послужат на благо людей.