Hanane Hadj-Moussa, Kenneth B. Storey, Carleton University

Хората са придирчиви видове. Ние сме най-щастливи в почти постоянна среда и изпитваме тежки и често смъртоносни наранявания, ако температурата на сърцевината ни падне под 25 C или ако съдържанието на кислород във въздуха падне под 10%.

дяволите

Много други видове обаче живеят в почти постоянна промяна.

Помислете за червения дяволски калмар. Известен също като калмари Хумболт или джъмбо (Dosidicus gigas), той се издига всяка нощ от дълбините на океана за няколко часа безумно хранене на повърхността. Преди да изгрее зората, тя напуска тези топли води и потъва обратно в хладната бездна на смазващото налягане и ниския кислород.

Като изследователи на молекулярната биохимия искахме да знаем как калмарите се адаптират към ежедневните промени в условията на околната среда, наложени от техния вертикален живот.

Мечки, тардигради и кракени

Въпреки очевидните разлики между едно животно и следващото, всички животни споделят значителен брой подобни гени. Според проучване от 2005 г., например, геномът на шимпанзето е около 96% подобен на човешкия геном.

Регулирането на тези гени позволява на животните да се адаптират към ежедневните или сезонните промени, да реагират на стрес в околната среда или да толерират други стресове, като екстремни температури или натиск. Епигенетиката - химически белези, които променят наличието на ДНК - и РНК модификации, които могат да заглушат производството на протеини, са два от няколкото начина, по които гените се регулират.

Генетичната регулация стои зад сезонния хибернация на мечките, позволява на много видове да оцелеят в среда с ниско или без кислород и позволява на други да издържат на екстремна дехидратация. Той дори позволява на някои същества да издържат на замръзващия, лишен от кислород, изпълнен с радиация вакуум на космоса, което може би се случва сега с хилядите микроскопични тардигради, катастрофирали на Луната през 2019 г.

Оказва се, че така кракените оцеляват и в бездната.

Кракени в бездната

Започнахме нашето проучване в Experiment, платформа за научни открития, и финансирахме от тълпата подкрепата, която ни беше необходима, за да работим върху червените дяволски калмари в Калифорнийския залив, между двата мексикански щата Baja California Sur и Sinoloa.

В една спокойна, тъмно-тъмна нощ в средата на залива забелязахме вълна от движение около нашата лодка. Джакпот.

Плитка от червени дяволски калмари се издигаше на стотици метри от дълбините на океана до топлите, наситени с кислород повърхностни води, за да се присъедини към голяма ярост. Те ядоха предимно малки риби, но понякога имаше малко канибализъм.

Преди да се появят първите сутрешни лъчи, те започнаха своето тихо спускане, където трябваше да се справят с липсата на кислород (хипоксия), високото налягане и температурите при почти нулата.

Успешно уловихме няколко млади и възрастни джъмбо калмари, преди да се спуснат, и ги поставихме в резервоари с морска вода на кораба.

Тези агресивни двуметрови хищници спокойно заемат дълбокия океан, като потискат глобалната генна експресия, като по същество намаляват обема на по-голямата част от своя геном, като същевременно активират избран брой гени, които насърчават оцеляването им. Това е известно като „депресия на скоростта на метаболизма“ и е в основата на латентността, често свързана с хибернация.

Централният механизъм, който се очертава като жизненоважна движеща сила зад метаболитното потискане и оцеляването на калмарите, е епигенетиката или по-точно способността на калмарите да променя своя епигенетичен код бързо и обратимо.

Епигенетика на калмари убийци

Разбиването на думата епигенетика помага да се разкрие каква е тя. Първо, имаме гръцкия префикс epi, което означава извън, над или около, а след това имаме генетика, която се отнася до ДНК кода на клетката. И така, епигенетиката е изследване на наследствени и ненаследими промени, които се появяват върху или около ДНК, без да се променя самата ДНК последователност.

Калмарите разчитат на епигенетични механизми, за да оцелеят в крайностите на околната среда и да се оттеглят в състояние на суспендирана анимация, като забавят метаболизма си. Те намаляват нуждите от кислород на калмарите, изключват несъществени биологични процеси и отстраняват щетите от ниски температури.

Епигенетичните инструменти, които променят генната експресия както при калмари, така и при хора, включват модификации на ДНК и хистон и микроРНК. Добавянето на химични групи (като метилови групи) към ДНК или хистони (протеини, които макарят ДНК) може да промени наличността или функцията на ДНК, което я прави повече или по-малко достъпна за клетъчната техника, която превръща ДНК в протеини.

Въпреки че тепърва трябва да изследваме състоянието на ДНК модификациите на лишени от кислород калмари, нашето проучване на хистони на калмари показва, че хистоните са модифицирани, за да насърчат кондензацията на ДНК (или намотката), което прави ДНК по-малко достъпна, когато калмарите са дълбоко в океана. Този критичен механизъм позволява на калмарите да пестят енергия, докато са лишени от кислород, тъй като гените се изключват, когато са плътно увити около хистоните.

Трети механизъм, който поддържа метаболизма на калмарите гъвкав, са микроРНК. Тези къси парчета РНК не кодират протеини, а заглушават гените, като се свързват физически с генните транскрипти и блокират превеждането им в протеин.

Открихме микроРНК в сърцата и мозъка на червените дяволски калмари, които биха могли да забавят метаболизма им, докато са лишени от кислород, помагайки да се предпазят тези органи от увреждане. В мускулите, които дават на калмарите струята, необходима им за ежедневни вертикални миграции и за да избягат от хищници, открихме друга микроРНК, изразена при условия с ниско съдържание на кислород, която вероятно потиска растежа и използването на енергия, докато калмарите са в метаболитно депресивно състояние.

Тези на пръв поглед малки промени имат големи ефекти, позволяващи на червените дяволски калмари да се движат напред-назад от повърхността на океана до дъното му, убивайки и изяждайки всичко по пътя им. Но те също имат значение за медицината и могат да помогнат на изследователите да разберат - и да намерят иновативни решения за - здравни състояния като инсулт, исхемия (неадекватен приток на кръв и кислород към органите) и трансплантации на органи.

Природата вече е решила много от проблемите, с които се сблъскваме. Просто трябва да разберем как.