Фруктові кажани відточили свою пристрасть до солодкого завдяки адаптивній еволюції. Чи можуть люди запозичити прийоми зі своєї біології? (Кредит зображення: Кейт Роуз/iStock через Getty Images Plus)
Люди не єдині ссавці, які люблять цукор. Фруктові кажани також з’їдають солодких фруктів, що вдвічі перевищують свою вагу тіла. Однак, на відміну від людей, фруктові кажани процвітають на дієті, багатій цукром. Вони можуть знизити рівень цукру в крові швидше, ніж кажани, які покладаються на комах як на основне джерело їжі.
Ми команда біологів та біоінженерів. Визначення того, як фруктові кажани еволюціонували, щоб спеціалізуватися на дієті з високим вмістом цукру, спонукало нас до пошуків підходу до терапії діабету з незвичайної точки зору — це привело нас аж до Ламанаї, Беліз, на Belize Bat-a-thon, щорічне зібрання, де дослідники збирають і вивчають кажанів. Діабет, дев’ята основна причина смерті в 2019 році, може виникнути, коли організм не в змозі ефективно переробляти цукор, що призводить до надлишку глюкози в крові.
У нашому нещодавно опублікованому дослідженні в Nature Communications ми та наші колеги Сеунгбін Бек і Мартін Хемберг використали технологію, яка аналізує ДНК окремих клітин, щоб порівняти унікальні метаболічні інструкції, закодовані в геномі ямайського фруктового кажана, Artibeus jamaicensis, з інструкціями в геномі великого бурого кажана, що харчується комахами, Eptesicus fuscus.
Приблизно 2% ДНК складається з генів, які є сегментами ДНК, які містять інструкції, які клітини використовують для створення певних ознак, таких як довший язик у фруктових кажанів. Інші 98% — це сегменти ДНК, які регулюють гени та визначають наявність і відсутність ознак, які вони кодують.
Щоб зрозуміти, як фруктові кажани еволюціонували, щоб споживати так багато цукру, ми хотіли визначити генетичні та клітинні відмінності між кажанами, які їдять фрукти, і кажанами, які їдять комах. Зокрема, ми розглянули гени, регуляторну ДНК і типи клітин у двох важливих органах, які беруть участь у метаболічних захворюваннях: підшлунковій залозі та нирках.
Автори дослідження Надав Ахітув (ліворуч) і Вей Гордон (праворуч) на фото з битою з дослідження
Підшлункова залоза регулює рівень цукру в крові та апетит, виробляючи такі гормони, як інсулін, який знижує рівень цукру в крові, і глюкагон, який підвищує рівень цукру в крові. Ми виявили, що у ямайських плодових кажанів більше клітин, що виробляють інсулін і глюкагон, ніж у великих бурих кажанів, а також регуляторної ДНК, яка стимулює клітини підшлункової залози плодових кажанів до вироблення інсуліну та глюкагону. Разом ці два гормони працюють, щоб підтримувати збалансований рівень цукру в крові, навіть коли фруктові кажани їдять велику кількість цукру.
Нирки фільтрують метаболічні відходи з крові, підтримують водно-сольовий баланс і регулюють артеріальний тиск. Нирки плодового кажана повинні бути обладнані таким чином, щоб видаляти з кровотоку велику кількість води, що надходить із фруктів, зберігаючи при цьому низьку кількість солі у фруктах. Ми виявили, що ямайські фруктові кажани відкоригували склад своїх ниркових клітин відповідно до свого раціону, зменшивши кількість клітин, що концентрують сечу, тому їхня сеча більш розбавлена водою порівняно з великими бурими кажанами.
Чому це важливо
Цукровий діабет є одним із найдорожчих хронічних захворювань у світі. У 2022 році США витратили 412,9 мільярда доларів США на прямі медичні витрати та непрямі витрати, пов’язані з діабетом.
Більшість підходів до розробки нових методів лікування діабету базуються на традиційних лабораторних тваринах, таких як миші, оскільки їх легко відтворити та вивчити в лабораторії. Але за межами лабораторії існують такі ссавці, як фруктові кажани, які насправді еволюціонували, щоб витримувати високі навантаження цукру. З’ясування того, як ці ссавці справляються з високим вмістом цукру, може допомогти дослідникам визначити нові підходи до лікування діабету.
Застосовуючи нові технології визначення характеристик клітин до цих немодельних організмів або організмів, які дослідники зазвичай не використовують для досліджень у лабораторії, ми та все більше дослідників показуємо, що природа може бути використана для розробки нових підходів до лікування хвороб.
Що досі невідомо
Хоча наше дослідження виявило багато потенційних терапевтичних цілей для діабету, необхідно провести додаткові дослідження, щоб продемонструвати, чи можуть наші послідовності ДНК фруктових кажанів допомогти зрозуміти, контролювати або вилікувати діабет у людей.
Деякі з наших знахідок фруктових кажанів можуть бути не пов’язані з метаболізмом або властиві лише ямайським фруктовим кажанам. Існує близько 200 видів фруктових кажанів. Вивчення більшої кількості кажанів допоможе дослідникам з’ясувати, які послідовності ДНК фруктових кажанів є актуальними для лікування діабету.
Наше дослідження також було зосереджено лише на підшлунковій залозі та нирках кажанів. Аналіз інших органів, які беруть участь у метаболізмі, таких як печінка і тонка кишка, допоможе дослідникам більш повно зрозуміти метаболізм фруктових кажанів і розробити відповідне лікування.
Що далі
Зараз наша команда перевіряє регуляторні послідовності ДНК, які дозволяють фруктовим кажанам їсти стільки цукру, і перевіряє, чи можна використовувати їх для кращого регулювання реакції людей на глюкозу.
Ми робимо це, замінюючи регуляторні послідовності ДНК у мишей на послідовності плодоножих кажанів і перевіряючи їх вплив на те, наскільки добре ці миші контролюють рівень глюкози.
Ця відредагована стаття перепублікована з The Conversation під ліцензією Creative Commons. Прочитайте оригінальну статтю.
ТЕМИ цукор
Wei Gordon Навігація по соціальних посиланнях
Доктор Гордон є доцентом біології в коледжі Менло. Це її перший рік навчання в коледжі Менло. Доктор Гордон пішов до аспірантури, щоб стати професором бакалаврату та працювати в навчальному закладі, орієнтованому на студентів. До приходу на факультет д-р Гордон викладав на курсах магістратури в Каліфорнійському університеті в Сан-Франциско та на курсах бакалаврату в Університеті Сан-Франциско, Державному університеті Сан-Франциско та Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, а також початкові курси в державних школах Сан-Франциско. У коледжі Менло доктор Гордон зосереджується на підвищенні інтересу до STEM у групах, які недостатньо представлені в STEM, і підключенні студентів до навколишнього біотехнологічного центру.
Доктор Гордон вперше почала дослідження в Інституті океану в Дана-Пойнт, штат Каліфорнія, де вона працювала стажером у господарстві. Вона провела проект штучного проживання на рифах з місцевими акулами та запустила освітню виставку з аквапоніки. Доктор Гордон продовжив працювати стажером у тваринництві в лабораторії доктора Дебори Єлон в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, де вона перейшла на лабораторний стіл, щоб вивчати розвиток серця рибок даніо. Доктор Гордон одночасно працював у лабораторії доктора Майке Сандер у Санфордському консорціумі регенеративної медицини як лаборант, а згодом у лабораторії доктора Амро Хамдуна в Інституті океанографії Скріппса як науковий співробітник та URS (Меморіальна дослідницька стипендія Девіда Марка Белкіна з питань навколишнього середовища та екології). Дізнаючись про переносники ліків і ембріональний розвиток морських їжаків у лабораторії доктора Хамдуна, доктор Гордон розпочав спільний проект між лабораторіями доктора Хамдуна та доктора Єлона, визначивши тип клітини в ембріоні рибки даніо, який, ймовірно, захищає ембріональний розвиток від шкідливих малих молекул (Gordon et al., Aquatic Toxicology, 2019).
Будучи аспірантом, д-р Гордон приєднався до лабораторії д-ра Надава Ахітува в Каліфорнійському університеті в Сан-Франциско, щоб досліджувати генетичні фактори, що лежать в основі еволюції фруктової спеціалізації (спеціалізації плодів) у ссавців. Вивчаючи ДНК ссавців, які пристосувалися до дієти з високим вмістом цукру, кажанів і приматів, доктор Гордон і її співробітники можуть ідентифікувати нові ДНК-мішені для терапії метаболічних захворювань у людей, таких як діабет. Доктор Гордон використовувала як методи порівняльної геноміки, так і методи функціональної геноміки для свого дослідження, і вона також поїхала до Беліз, щоб працювати з кажанами та іншими дослідниками кажанів по всьому світу в «Bat-a-thon». Доктор Гордон була нагороджена NSF GRFP, а також отримала грант NIH EDGE CMT разом з доктором Ахітувом для просування своїх досліджень. Доктор Гордон виявив багато адаптацій плодоядних нирок і підшлункової залози плодоядних кажанів, включаючи диференціально активні гени та регуляторні ділянки, що беруть участь у балансі рідини та електролітів у нирках плодоїдних тварин, а також збільшення ендокринних і зменшення екзокринних клітин у підшлунковій залозі плодоїдних тварин (Gordon and Baek et al., BioRxiv, 2023). У найближчі роки буде опубліковано більше робіт доктора Гордона.
Дослідження доктора Гордона в коледжі Менло стосуватимуться загальної біологічної освіти. Вона випробовуватиме різні техніки та збиратиме дані. Зрештою, вона має намір використати свій генетичний досвід для розробки нових курсів у коледжі Менло, які б відповідали студентським інтересам і готували студентів стати позитивними лідерами змін у швидкозростаючих біотехнологічних просторах геноміки, генної терапії та фармакології.
Sourse: www.livescience.com
