No CAS-MPG Partner Institute, em Xangai, os cientistas investigam quais genes são ativados ou silenciados pelos esquilos do solo do Ártico durante a hibernação
09 de maio de 2014
A economia de energia é crucial para a sobrevivência de animais que vivem nas regiões frias do mundo.Um pequeno roedor de marmot do Ártico é campeão mundial quando se trata de economia de energia.De acordo com Jun Yan, do Instituto Parceiro da Max Planck Society e da Academia Chinesa de Ciências (CAS) em Xangai, isso torna o esquilo terrestre do Ártico extremamente adequado para estudar as mudanças que ocorrem em nível molecular durante a hibernação do roedor.Com base nisso, o cientista e seus colegas pretendem descobrir exatamente como os animais podem obter reduções tão dramáticas em sua atividade metabólica.
Texto: Harald Rösch
Quase toda a vida ao redor do Lago Toolik, no norte do Alasca, está parada na chegada do inverno.Em temperaturas de menos de 50 graus, tempestades geladas variam as encostas das montanhas cobertas de neve e o país desce para a escuridão da noite polar.O fato de os animais poderem sobreviver nessas condições extremamente hostis é nada menos que milagroso.
Alguns deles apenas sobrevivem a esse período, suprimindo drasticamente seu metabolismo: eles simplesmente dormem durante o inverno em cavernas de neve ou lados subterrâneos.O esquilo terrestre do Ártico (Urocitellus parryii) é um desses artistas de sobrevivência.Esse pequeno roedor, no entanto, levou a economia de energia ao extremo: pode reduzir seu metabolismo a um ou dois por cento de sua taxa normal.
Quando esses animais, encontrados no Canadá, Alasca e Sibéria, adquiriram reservas de gordura suficientes no outono, elas se retiram profundamente em suas tocas e se preparam para um longo período de descanso.Seus corações trabalham a uma taxa gradualmente mais lenta até que eles vencem apenas uma vez por minuto.Seus cérebros fecham quase completamente e convertem para uma espécie de modo de espera.Sua temperatura corporal diminui de 37 graus para menos 3;No entanto, seu sangue não congelam.Isso os torna os recordistas não contestados do Reino Animal para a menor temperatura corporal.Eles podem sobreviver assim por até oito meses.Durante esse período, os esquilos do solo acordam apenas duas vezes por mês por algumas horas.Parece que, sem essas fases de excitação curta, seus cérebros sofreriam danos irreversíveis.
Essa extrema adaptação metabólica faz do esquilo terrestre do Ártico o objeto perfeito de estudo para Jun Yan, um cientista de Xangai.Yan tem trabalhado em estreita colaboração com Brian Barnes, um cientista do Instituto de Biologia do Ártico em Fairbanks Alaska sobre a hibernação do esquilo terrestre do Ártico.Várias dezenas desses pequenos roedores vivem no laboratório do Instituto de Biologia do Ártico em Fairbanks Alaska e desfrutam de 16 horas de luz e dias escuros de 8 horas a uma temperatura interna de 20 graus, ao longo do curso de alta qualidade de roedor de alta qualidadeComida, fatias de maçã e cenouras.
Para seus estudos, eles reduzem a temperatura no laboratório para 5 graus e desligam a luz todos os dias após apenas quatro horas.Isso dá aos esquilos o sinal para se preparar para o sono de inverno.Enquanto os animais dormem, os pesquisadores tomam amostras de tecido e analisam sua atividade genética e volumes de proteínas.
Dessa forma, eles descobriram que os esquilos aumentam ou suprimem a produção de muitas proteínas durante a hibernação.Com a ajuda da espectrometria de massa, os cientistas identificaram mais de 3.000 proteínas no fígado dos animais.A produção de aproximadamente 500 deles é aumentada ou diminuída durante o inverno: menos das proteínas usadas para quebrar carboidratos e formar ácidos graxos estão disponíveis durante a hibernação, enquanto mais proteínas são formadas para quebrar os ácidos graxos.“Isso permite que os animais durante os longos meses de inverno usem suas reservas de gordura para obter energia.No verão, eles precisam dessas proteínas novamente para a digestão de fontes de alimentos vegetais e para a produção de gorduras no inverno seguinte ”, explica Yan.
Os testes realizados pelos pesquisadores também mostram que muitas vezes é impossível tirar conclusões sobre o volume de uma determinada proteína da prevalência de um RNA mensageiro.Essas moléculas são as transcrições dos genes e fornecem a base para as proteínas.Consequentemente, a atividade de um gene não tem necessariamente nada a dizer sobre até que ponto a proteína correspondente é formada.Consequentemente, os esquilos devem usar outras possibilidades para regular sua produção de proteínas durante a hibernação.
Por esse motivo, os cientistas examinaram as chamadas moléculas de microRNA (miRNAs) em mais detalhes.Essas pequenas moléculas, que têm apenas 19 a 25 pares de bases, podem bloquear os RNAs do Mensageiro.Dessa forma, os miRNAs podem dificultar a formação de proteínas, mesmo que seus genes estejam ativos e lidos.Assim, os miRNAs são moléculas importantes do regulador, com as quais os diferentes tipos de células de um organismo controlam a produção de proteínas.
Jun Yan e seus colegas descobriram mais de 200 miRNAs no fígado do esquilo terrestre do Ártico sozinho, dos quais 18 eram moléculas anteriormente desconhecidas.A extensão em que um miRNA é formado depende se os animais estão hibernando ou não.Por exemplo, muito menos das moléculas são formadas no fígado durante as fases do sono e da excitação.Por outro lado, outros surgem em grandes volumes - mas somente quando os animais estão realmente dormindo.Os valores caem novamente durante as fases de vigília curta durante a hibernação.“Nossas análises mostraram que alguns desses miRNAs controlam o crescimento celular.Assumimos que os animais possam impedir a formação de tumores durante a hibernação dessa maneira ”, explica Yan.
Como próximo passo, os pesquisadores compilaram um perfil genético abrangente do esquilo terrestre do Ártico durante a hibernação.Aproximadamente 500 genes são ativados durante esse período."Esta é a assinatura genética da hibernação nesses animais", diz Yan.Para descobrir mais sobre a função desses genes, os cientistas os compararam com genes que são ligados em camundongos durante períodos de fome, privação do sono e distúrbios vasculares.Embora cada um desses estados seja difere das condições fisiológicas da hibernação, os esquilos os experimentam de forma semelhante durante a hibernação;Os perfis genéticos correspondentes se sobrepõem de acordo.Portanto, as flutuações nas atividades dos genes durante a transição do sono para as fases de despertar durante a hibernação correspondem àquelas que surgiram nos genes do camundongo em resposta a flutuações do dia à noite e baixas temperaturas ambientais.
Com base nisso, Yan e seus colegas estabeleceram que os ratos que consumiram apenas 10 a 40 % de sua ingestão de calorias normais por semanas ou meses alternam alguns dos mesmos genes dentro ou fora que os ativados ou silenciados pelos esquilos do solo do Ártico durante a hibernação.Por exemplo, genes para a formação da glicose de carboidratos de armazenamento de energia são ativados em ambos os casos;Por outro lado, os genes para a produção de ácidos graxos são silenciados.Parece que o PPARα do fator de transcrição está envolvido nessa mudança no metabolismo da gordura.O PPARα acelera a quebra dos ácidos graxos e inibe a formação de novas moléculas de gordura que consomem energia.
Em contraste com isso, o metabolismo da gordura não é alterado no caso de distúrbios vasculares.Na fase de torpor durante a hibernação, pouco ou nenhum sangue circula nos vários tecidos do esquilo.Durante as fases de excitação, o fluxo sanguíneo aumenta significativamente, semelhante à maneira como aumenta durante um ataque cardíaco ou derrame.“Ao contrário do caso de um ataque cardíaco, no entanto, esse aumento na circulação não causa danos nos tecidos nos esquilos do solo do sono.Assumimos que o metabolismo de gordura elevado impede esse dano. ”Além disso, os genes que equiparam proteínas com acessórios de ubiquitina e, assim, liberam -os para a maquinaria de decomposição da célula, permanecem ativos nos esquilos durante a hibernação.Esses genes, no entanto, são significativamente menos ativos em camundongos após o sub -suporte com oxigênio.
A hibernação do esquilo terrestre do Ártico não é apenas fascinante para os zoólogos, mas também pode ensinar muito aos pesquisadores sobre o corpo humano e as doenças.“Os esquilos do solo do Ártico parecem sobreviver a fases longas sem comida, a baixas temperaturas corporais e com suprimento restrito de oxigênio e circulação sanguínea sem chegar a nenhum dano.O conhecimento sobre como eles gerenciam isso um dia pode levar a novos tratamentos para distúrbios cardiovasculares, parada cardíaca e derrames ”, diz Yan.
