Хомяки используют сигналы от сокращения продолжительности дня, чтобы подготовиться к длинной зиме.
Анализ первого полностью последовательного генома сибирского хомячка показывает, что они могут адаптировать свой организм и энергопотребление для выживания зимой.
Исследования, опубликованные в сборнике "Proceedings of the National Academy of Sciences", включают транскриптомный анализ экспрессии генов в мозгу как в летних, так и зимних условиях, который выявляет каскад сигналов, подготавливающих хомячка к зиме.
Сибирский хомяк - образцовый организм для изучения сезонных биологических ритмов. Они размножаются весной и в начале лета, но по мере приближения осени и сокращения продолжительности дня, их организм резко меняется. Хомяки теряют почти половину своего веса, в основном за счет жира, и ограничивают потребление пищи на 30-40%. Они не спят, снижают температуру тела в дневное время, чтобы сэкономить энергию. Их шерсть утолщается и меняет цвет на -белый, и они становятся бесплодными до тех пор, пока не начнут готовиться к следующему сезону размножения.
Новое исследование показало, что одной только смены продолжительности дня было достаточно, чтобы вызвать эти изменения, независимо от температуры и количества доступной пищи.
"Мы надеемся, что это будет инструментом для открытия и дальнейших исследований действительно интересной биологической головоломки, которая заключается в том, как организмы перемещаются по энергетическому ландшафту природы в течение года", - сказал Брайан Прендергаст, доктор философии, профессор психологии Чикагского университета и один из авторов исследования.
Вопрос соединения точек.
Исследователи сосредоточились на активности в гипоталамусе, части мозга, которая инициирует ряд важных метаболических процессов, таких как высвобождение гормонов, подача сигналов щитовидной железы и контроль температуры тела, голода и сна. Современная наука достаточно хорошо понимает, как эти процессы поддерживают вес в краткосрочной перспективе благодаря аппетиту, потреблению пищи и расходам энергии. Для нового исследования исследователи хотели посмотреть, как животные, такие как сибирский хомяк, сохраняют вес в течение длительного времени.
Ученые интерпретировали данные о способах экспрессии генов, изучая различия между образцами, отобранными у хомяков в летний и зимний периоды.
Исследователи, изучающие ожирение, должны обратить внимание на эту модель, потому что это животное, которое может похудеть почти вдвое быстрее, когда это будет нужно.
В течение многих лет ученые предполагали, что определенный ген участвует в долгосрочном регулировании веса и энергетического баланса у многих животных.
Цепочка событий начинается с гормона щитовидной железы, который называется Т4. Гормон Т4 легко доступен в кровотоке, и когда весной количество дневного света начинает увеличиваться, хомяк вырабатывает ферменты, называемые дейодиназами. Эти ферменты удаляют молекулу йода из Т4 и превращают ее в более мощный гормон под названием Т3.
В летнее время повышенная выработка Т3 позволяет хомякам активно расти, а также увеличивает активность гена, ответственного за вес, что, разумеется, приводит к увеличению их веса. По мере сокращения дней осенью производство Т3 снижается, что приводит к прекращению размножения на предстоящую зиму. Снижение T3 также регулирует или отключает этот ген, что приводит к резкой потере веса.
Стивенсон также сравнил геном сибирского хомяка с другими мелкими млекопитающими, такими как мыши и полевки. Он заметил много различий между животными в схемах последовательности, или мотивах, в промоторной области гена, ответственного за вес. Этот раздел ДНК в начале последовательности генов играет важную роль в том, как она транскрибируется в РНК и, в конечном счете, как функционирует ген.
"Все животные демонстрируют определенный уровень сезонной биологии, включая людей. Наши результаты показывают, что гормоны щитовидной железы, действующие в мозгу, обеспечивают долгосрочное регулирование энергетического баланса", - сказал Стивенсон.
Стоит отметить, что этот процесс развивался у некоторых животных, таких как хомяки и полёвки, а не у других, как у овец или людей. Это говорит о том, что между животными существует большая степень изменчивости генома и указывает на сильный видовой контроль долгосрочного энергетического баланса.
Головоломка.
В отдельном комплексе экспериментов исследователи также ограничили количество пищи для хомячков. Хотя это и вызвало некоторые изменения в химии мозга, но никак не повлияло на экспрессию гена. Только долгосрочные изменения дневной продолжительности оказывали на него влияние.
Прендергаст говорит, что подобные модели делают сибирского хомячка интересным не только в том, как он управляет сезонной адаптацией, но и в управлении массой тела в целом.