Istraživači su bacili svetlo na molekularne mehanizme koji su u osnovi hibernacije, objavljujući svoje nalaze danas kao Pregledani preprint u eLife-u.
Njihovo istraživanje, na malim i velikim sisarima u hibernaciji, urednici opisuju kao važnu studiju koja unapređuje naše znanje o ulozi strukture miozina i potrošnje energije na molekularne mehanizme hibernacije, podržano čvrstom metodologijom i dokazima. Nalazi takođe sugerišu da miozin — vrsta motornog proteina uključenog u mišićnu kontrakciju — igra ulogu u termogenezi bez drhtanja tokom hibernacije, gde se toplota proizvodi nezavisno od mišićne aktivnosti drhtanja.
Hibernacija je strategija preživljavanja koju koriste mnoge životinje, koju karakteriše stanje dubokog mirovanja i duboko smanjenje metaboličke aktivnosti, telesne temperature, otkucaja srca i disanja. Tokom hibernacije, životinje se oslanjaju na uskladištene rezerve energije, posebno masti, da bi održale svoje telesne funkcije. Usporavanje metabolizma omogućava hibernatorima da štede energiju i izdrže duge periode nestašice hrane i surovih uslova životne sredine tokom zime. Međutim, osnovni ćelijski i molekularni mehanizmi koji stoje iza hibernacije ostaju nepotpuno shvaćeni.
Manji sisari u hibernaciji doživljavaju produžene napade hipometaboličkog stanja zvanog torpor, koje značajno snižava njihovu telesnu temperaturu i isprekidano je spontanim periodima međusobnog eutermnog uzbuđenja (IBA)—gde oni privremeno podižu telesnu temperaturu da bi obnovili neke fiziološke funkcije, kao što je npr. eliminisanje otpada i jedenje više hrane.
Ovo je u suprotnosti sa većim sisarima, čija je telesna temperatura mnogo manje smanjena tokom hibernacije i ostaje prilično konzistentna. Skeletni mišići, koji čine oko polovine telesne mase sisara, igraju ključnu ulogu u određivanju njihove proizvodnje toplote i upotrebe energije.
„Donedavno se smatralo da je potrošnja energije u skeletnim mišićima prvenstveno povezana sa aktivnošću miozina, koji je uključen u kontrakciju mišića. Međutim, sve je više dokaza da čak i kada su opušteni, skeletni mišići i dalje koriste malu količinu energije. “, objašnjava glavni autor Christopher Levis, postdoktorski istraživač na Odeljenju za biomedicinske nauke Univerziteta u Kopenhagenu, Danska.
„Glave miozina u pasivnim mišićima mogu biti u različitim stanjima mirovanja: ‘poremećeno-opušteno’ ili DRKS stanje i ‘super opušteno’ ili SRKS stanje. Glave miozina u DRKS stanju troše ATP – energetsku valutu ćelija – između pet do deset puta brže od onih u SRKS stanju“, dodaje Luis.
Levis i kolege su pretpostavili da promene u proporciji miozina u DRKS ili SRKS stanjima mogu doprineti smanjenoj upotrebi energije koja se vidi tokom hibernacije. Da bi ovo testirali, uzeli su uzorke skeletnih mišića od dva mala hibernatora — podzemne veverice sa trinaest linija i baštenskog puha — i dva velika hibernatora — američkog crnog medveda i mrkog medveda.
Prvo su pokušali da utvrde da li su stanja miozina i njihove odgovarajuće stope potrošnje ATP-a različite između aktivnih perioda i hibernacije. Oni su posmatrali mišićna vlakna uzeta od dve vrste medveda tokom njihove aktivne letnje faze (SA) i njihovog zimskog perioda hibernacije.
Nisu pronašli razlike u proporciji miozina u DRKS ili SRKS stanju između dve faze. Da bi izmerili stopu potrošnje ATP-a miozinom, koristili su specijalizovani test nazvan Mant-ATP chase test. Ovo je otkrilo da takođe nije bilo promena u stopama potrošnje energije miozina. Ovo može biti da spreči pojavu značajnog gubitka mišića kod medveda tokom hibernacije.
Tim je takođe sproveo test potere Mant-ATP na uzorcima uzetim od malih sisara tokom SA, IBA i torpora. Kao iu većim hibernatorima, oni nisu primetili nikakve razlike u procentu glava miozina u formiranju SRKS ili DRKS između tri faze. Međutim, otkrili su da je vreme obrtanja ATP-a molekula miozina u obe formacije bilo niže u IBA i torporu u poređenju sa SA fazom, što je dovelo do neočekivanog ukupnog povećanja potrošnje ATP-a.
Kako mali sisari prolaze kroz značajniji pad telesne temperature tokom hibernacije od velikih sisara, tim je testirao da li se ovo neočekivano povećanje potrošnje ATP-a dogodilo i na nižoj temperaturi. Ponovo su uradili Mant-ATP chase test na 8°C, u poređenju sa prethodno korišćenom ambijentalnom temperaturom u laboratoriji od 20°C. Snižavanje temperature smanjilo je DRKS i SRKS-povezana ATP vremena obrtanja u SA i IBA, što je dovelo do povećanja potrošnje ATP-a.
Poznato je da metabolički organi, kao što su skeletni mišići, povećavaju temperaturu tela kao odgovor na značajno izlaganje hladnoći, bilo izazivanjem drhtanja ili termogenezom bez drhtanja. Izlaganje hladnoći izazvalo je povećanje potrošnje ATP-a miozinom u uzorcima dobijenim tokom SA i IBA, što sugeriše da miozin može doprineti termogenezi bez drhtanja kod malih hibernatora.
Tim nije primetio promene u potrošnji energije miozina izazvane hladnoćom u uzorcima dobijenim tokom torpora. Oni sugerišu da je ovo verovatno zaštitni mehanizam za održavanje niske osnovne telesne temperature i šireg metaboličkog prekida, koji se vidi tokom torpora.
Konačno, istraživači su želeli da razumeju promene koje se dešavaju na nivou proteina tokom različitih faza hibernacije. Oni su procenili da li hibernacija utiče na strukturu dva proteina miozina iz trinaestostruke veverice, Mih7 i Mih2. Iako nisu primetili nikakve promene vezane za hibernaciju u strukturi Mih7, otkrili su da je Mih2 prošao značajnu fosforilaciju – proces ključan za skladištenje energije – tokom torpora, u poređenju sa SA i IBA.
Takođe su analizirali strukturu dva proteina u mrkom medvedu, ne nalazeći strukturne razlike između SA i hibernacije. Oni stoga zaključuju da je hiperfosforilacija Mih2 specifično povezana sa torporom, a ne sa hibernacijom uopšte, i predlažu da ovo služi za povećanje stabilnosti miozina kod malih sisara. Ovo može delovati kao potencijalni molekularni mehanizam za ublažavanje povećanja potrošnje skeletnih mišića u vezi sa miozinom kao odgovor na izlaganje hladnoći tokom perioda torpora.
Urednici eLife-a primećuju da neke oblasti studije zahtevaju dalje proučavanje. Naime, uzorci mišića uzeti su isključivo sa nogu ispitivanih životinja. S obzirom da jezgro tela i udovi imaju različite temperature, istraživanje uzoraka mišića iz drugih delova tela dodatno bi potvrdilo nalaze tima.
„Sve u svemu, naši nalazi sugerišu da se adaptacije ATP obrtaja u stanjima miozina DRKS i SRKS javljaju kod malih sisara kao što je veverica sa trinaest linija tokom hibernacije u hladnim sredinama. Nasuprot tome, veći sisari poput američkog crnog medveda ne pokazuju takve promene, verovatno zbog na njihovu stabilnu telesnu temperaturu tokom hibernacije“, zaključuje stariji autor Julien Ochala, vanredni profesor na Odeljenju za biomedicinske nauke Univerziteta u Kopenhagenu. „Naši rezultati takođe sugerišu da miozin može delovati kao doprinos termogenezi skeletnih mišića bez drhtanja tokom hibernacije.“
