В ДНК ленивцев может скрываться ключ к тому, почему они двигаются настолько медленно
Учёные приблизились к пониманию того, почему ленивцы являются самыми медленно двигающимися млекопитающими на планете, обладают крайне низким уровнем метаболизма и не поддерживают постоянную регуляцию температуры тела так же активно, как большинство других животных. Новое генетическое исследование показало, что за этим необычным набором характеристик могут стоять глубокие эволюционные изменения в их ДНК, связанные с механизмами управления энергией на клеточном уровне.
Международная группа исследователей провела комплексный анализ двупалого ленивца (Choloepus didactylus), сравнив его геном с десятками других млекопитающих, включая представителей той же эволюционной линии — муравьедов и броненосцев. Эти животные относятся к группе ксенартры, и их сопоставление позволило выявить генетические различия, сформировавшиеся на протяжении миллионов лет эволюции.
В центре внимания учёных оказались так называемые «прыгающие гены» или транспозоны — участки ДНК, способные перемещаться или копироваться в новые участки генома. Такие элементы считаются важной движущей силой эволюции, поскольку они способны влиять на активность генов и создавать новые регуляторные механизмы. В случае ленивцев следы активности транспозонов прослеживаются более 30 миллионов лет, начиная с периода их раннего эволюционного отделения от общих предков с муравьедами и броненосцами.
Особый интерес вызвало то, что значительная часть обнаруженных генетических последовательностей связана с митохондриями — структурами внутри клеток, которые отвечают за производство энергии. Также они связаны с генами, регулирующими обмен веществ. Именно митохондрии часто называют «энергетическими станциями» клетки, и любые изменения в их работе напрямую отражаются на уровне метаболизма организма.
По словам биолога-геномика Камилы Маццони из Института зоологических исследований и дикой природы имени Лейбница в Германии, результаты указывают на то, что у ленивцев могли сформироваться своеобразные генетические «резервные системы», компенсирующие особенности их ослабленной митохондриальной активности и поддерживающие уникальный низкоэнергетический образ жизни. Иными словами, их организм, возможно, выработал альтернативные генетические пути для поддержания жизнедеятельности при минимальных энергозатратах.
Исследователи предполагают, что крайне низкие энергетические потребности клеток ленивцев могли способствовать накоплению мутаций в митохондриальном геноме. В ответ на это «прыгающие гены» могли взять на себя компенсаторную роль, обеспечивая дополнительные механизмы регуляции и поддержания энергетического баланса.
Важно, что некоторые из выявленных генетических последовательностей сохраняются на протяжении примерно 30 миллионов лет, что говорит о их эволюционной устойчивости. Они, вероятно, возникли у общего предка современных ленивцев уже после их отделения от других ксенартр, и с тех пор были сохранены естественным отбором.
Как отмечает Маццони, ленивцы демонстрируют крайне низкий уровень метаболизма среди всех млекопитающих, но при этом остаются здоровыми и жизнеспособными. Понимание того, как им удаётся поддерживать такие условия существования, может дать новые знания о том, каким образом клетки эффективно управляют энергетическими ресурсами.
Потенциальное значение исследования выходит за рамки зоологии. По словам молекулярного биолога Педро Галанте из больницы Sírio-Libanês в Бразилии, нарушения энергетического обмена и работы митохондрий лежат в основе множества человеческих заболеваний, включая диабет, возрастные нейродегенеративные расстройства и мышечную дистрофию. Схожие механизмы вовлечены и в развитие ожирения, а также таких заболеваний, как болезнь Паркинсона.
Учёные предполагают, что понимание того, как генетическая система ленивцев поддерживает здоровье организма в условиях низкой энергетической активности, может помочь в разработке новых подходов к защите митохондрий у человека. В перспективе это может быть полезно для исследований старения, критической медицины, метаболических заболеваний и даже длительных космических миссий.
При этом специалисты подчёркивают, что такие исследования требуют осторожности. Известно, что вставки транспозонов в геном у человека могут приводить к серьёзным последствиям, включая развитие онкологических заболеваний. На этом фоне особенно удивительно, что ленивцы демонстрируют высокую устойчивость к подобным генетическим изменениям.
Следующим шагом учёных станет более детальное изучение «копирующихся» генов, которые сохранялись у ленивцев десятки миллионов лет, и выяснение их точной роли в работе митохондрий и регуляции метаболизма. Это может помочь понять, какие именно механизмы позволяют этим животным существовать в столь необычном энергетическом режиме.
Эволюция, как отмечают исследователи, уже провела миллиарды «экспериментов» в природе, и изучение необычных организмов, таких как ленивцы, позволяет обнаруживать биологические решения, которые не возникли в человеческой эволюции.
В ДНК ленивцев, по сути, может быть зашифрован ответ на вопрос о том, как организм способен оставаться здоровым даже при крайне низком уровне энергетической активности.
Результаты исследования в журнале BMC Biology.