Гены медведей сохраняют циркадные ритмы даже во время спячки

Внутренние часы бурых медведей, судя по генетическому исследованию, продолжают тикать во время зимней спячки. Это подчеркивает важную роль циркадных ритмов в метаболизме многих организмов, включая человека.

Генетическое исследование под руководством Университета штата Вашингтон подтвердило наблюдательные данные о том, что выработка энергии у медведей по-прежнему колеблется в суточном ритме, даже когда они несколько месяцев спят, не принимая пищу. Исследователи также обнаружили, что во время спячки амплитуда выработки энергии снижается, то есть размах между пиками и спадами уменьшается. Пик также смещался на более позднее время суток по сравнению с активным сезоном, но суточные колебания сохранялись.

«Это подчеркивает важность самих циркадных ритмов — они дают организмам гибкость, позволяя функционировать даже в таком экстремальном состоянии, как спячка медведя», — сказал Хейко Янсен, профессор кафедры интегративной физиологии и нейронаук WSU и старший автор исследования в Journal of Comparative Physiology B.

Циркадные ритмы — 24-часовые физические циклы, общие для большинства живых животных на Земле, — связаны с метаболическим здоровьем. У людей серьезные нарушения этих паттернов, например, при работе в ночную смену, ассоциируются с метаболическими проблемами, такими как увеличение веса и более высокая распространенность диабета.

В некотором смысле медведи — это сверхэкстремальные сменные работники, «отдыхающие» до шести месяцев во время спячки. Исследователи пытаются понять, как им удается набирать избыточный вес, а затем месяцами обходиться без еды и почти не двигаться — и все это без пагубных последствий, таких как потеря костной массы или развитие диабета.

В отличие от впадающих в почти коматозное состояние грызунов, медведи во время спячки изредка двигаются. Наблюдения за гризли в WSU Bear Center показали, что эти движения также следуют циркадному ритму: активность днем выше, чем ночью.

В данном исследовании ученые проверили, проявляется ли этот ритм на клеточном уровне. Они взяли образцы клеток у шести медведей в активный сезон и во время спячки, культивировали их и провели ряд генетических анализов.

Чтобы смоделировать спячку, клетки исследовали при типичной пониженной температуре тела медведя во время спячки — около 34 °C — и сравнили с 37 °C в активный сезон.

Оказалось, что у клеток спящих медведей тысячи генов экспрессировались ритмично. Это выливалось в ритмы выработки энергии через подъемы и спады производства аденозинтрифосфата (АТФ) — клеточного источника энергии. АТФ во время спячки по-прежнему производился в суточном режиме, но амплитуда его выработки была снижена, пики и спады — менее выражены. Пик производства также смещался на более позднее время суток по сравнению с активным сезоном.

Поддержание циркадного ритма само по себе требует энергии. Исследователи полагают, что его умеренное изменение во время спячки позволяет медведям получать некоторую энергетическую выгоду от суточного цикла с меньшими затратами — это, вероятно, помогает им выживать без пищи в течение месяцев.

«Это как настройка термостата. Если вы хотите сэкономить энергию, вы убавляете нагрев. По сути, это то, что делают медведи, — сказал Янсен. — Они используют способность подавлять циркадный ритм, но не останавливают сами часы. Это действительно новый способ тонкой настройки метаболических процессов и расхода энергии у животного».

Соавторами исследования выступили первый автор Эллери Винсент, а также Блэр Перри и Чарльз Роббинс из WSU и Джоанна Келли из Калифорнийского университета в Санта-Круз.