6 Minutės
Kiekvieną žiemą paprastasis pelėdrykas (Sorex araneus) atlieka biologinį pasiekimą, skambantį lyg mokslinė fantastika: jis sumažina smegenų tūrį maždaug 30 procentų tam, kad sutaupytų energijos, o pavasarį atkuria pradinį tūrį. Naujausi genomikos tyrimai nagrinėja evoliucinius ir molekulinius mechanizmus, leidžiančius šiai atvirkštinei smegenų atrofijai vykti — tai gali suteikti svarbių įžvalgų žmogaus neurodegeneracijos tyrimams ir smegenų biologijai.
Koks yra Dehnelio fenomenas ir kodėl jis svarbus?
Sezoninis smegenų audinio susitraukimas ir vėlesnis atsinaujinimas yra žinomas kaip Dehnelio fenomenas — pavadintas Lenkijos zoologo Augusto Dehnelio, kuris pirmasis aprašė šį modelį. Tai yra palyginti retas reiškinys tarp žinduolių, tačiau jis nėra unikalus pelėdrykams: panašius sezoninius smegenų dydžio sumažėjimus rodė ir europinės kurmiai, paprastieji žiurkėnai (weasel) bei stoatai. Šios rūšys turi bendrų ekologinių ir fiziologinių bruožų — ypač aukštą medžiagų apykaitos greitį ir gebėjimo tikrojo žiemos mieguoti stoką — kas gali priversti jas taikyti ekstremalias išgyvenimo strategijas maisto trūkumo laikotarpiais.
Praktiniu požiūriu smegenų ir kūno dydžio sumažinimas leidžia reikšmingai sumažinti kasdienes energijos sąnaudas, nes smegenys ir metabolinis aktyvumas yra energetiškai brangūs. Tačiau atvirkštinis susitraukimas kelia biologinį klausimą: kaip gyvūnai gali netekti iki trečdalio smegenų tūrio ir tuo pačiu išlaikyti neuronų gyvybingumą bei kognityvines funkcijas? Šiame procese svarbų vaidmenį, atrodo, atlieka grįžtamieji pokyčiai vandens balanso reguliacijoje, kraujagyslių smegenų barjero (blood-brain barrier) dinamikos moduliacija ir griežtai reguliuojama genų ekspresija, kuri apsaugo ląsteles ir leidžia audiniams susitraukti be nuolatinės negrįžtamos žalos.
Supratimas apie Dehnelio fenomeną yra svarbus ne tik ekologams ir gyvūnų fiziologams — jis taip pat gali atverti naujus kelius neurologijos ir neurodegeneracinių ligų tyrimams, nes rodo, kad smegenys gali toleruoti ir atgauti išskirtinius struktūrinius pokyčius. Tyrinėjant šiuos mechanizmus, mokslininkai gali identifikuoti molekulinius „išgyvenimo“ kelius, kurie galėtų tapti biomedicininėmis žymėmis arba terapiniais taikiniais.
Genetiniai užuomazgos iš pilno pelėdryko genomo
Tikslingiems genams, atsakingiems už sezoninę smegenų plastiką, identifikuoti, ekologas William Thomas (Stony Brook University) vadovaujama komanda surinko ir surinko pilną paprastojo pelėdryko genomą, o vėliau palygino jį su kitų rūšių genominiais duomenimis, kurios taip pat demonstruoja Dehnelio panašius pokyčius. Šis projektas grįstas ankstesniais tyrimais, kurie fiksavo sezoninius genų ekspresijos svyravimus skirtingose smegenų srityse, ir dabar leidžia integruoti struktūrinę genomiką su funkcine ekspresija.
Genominio masto analizė suteikia galimybę atskleisti konservuotus genų tinklus ir signalines transdukcijas, susijusias su smegenų atrofija ir regeneracija. Lygindami genų variantus, promotorų regionų stiprumą ir ekspresijos profilius tarp rūšių, mokslininkai gali išskirti tuos molekulinius kelius, kurie periodiškai įjungiami arba blokuojami sezoniškai, ir taip identifikuoti evoliucines adaptacijas prie ekstremalių energijos tiekimo išteklių ribojimų.
Kurių genų ypatybės pastebimos?
- Genai, susiję su neurogeneze (naujo nervinio audinio kūrimu), rodė padidėjusią ekspresiją keliuose Dehnelio panašumų turinčiuose organizmuose — tai rodo konservuotą genetinį programavimą, leidžiantį atvirkštinį smegenų pertvarkymą ir audinio atstatymą.
- VEGFA genas, kuris veikia kraujagyslių funkciją ir kraujagyslių smegenų barjero pralaidumą, buvo ypač aktyvus pelėdrykų pavyzdžiuose. Kintanti barjero pralaidumo būsena gali padėti smegenims aptikti energijos (maistinių medžiagų) stoką ir perdistribuoti skysčius bei maistines medžiagas priklausomai nuo tūrio pokyčių.
- Buvo rasta didesnė genų, dalyvaujančių DNR taisyme, ilgaamžiškumo ir streso atsakuose, koncentracija — tai rodo apsauginius mechanizmus, kurie apsaugo nuo ilgalaikės žalos vykstant pakartotinėms sezoninėms atrofijoms, išsaugant genominę integralumą ir neuronų funkcinį potencialą.
Taip pat įtraukti genai, reguliuojantys vandens balansą ir osmoreguliaciją, palaiko 2025 m. atradimą, kad daug smegenų tūrio sumažėjimo kyla iš grįžtamo vandens netekimo, o ne išneigiamos neuronų mirties — tai yra svarbus mechanistinis skirtumas, parodantis struktūros, bet ne ląstelių, nykimą.
2025 m. tyrimai parodė, kad pelėdryko sezoninis smegenų susitraukimas daugiausia atsiranda dėl vandens netekimo, tačiau smegenų ląstelės išlieka gyvybingos.
Metodologiniu požiūriu genominių analizų sintezė — įskaitant genomo surinkimą, žymenų žemėlapių sudarymą, genų anotaciją ir diferencialios ekspresijos analizę tarp sezoninių būsenų — suteikia platų vaizdą apie molekulinius atsakus. Be to, epigenetiniai profiliai (pvz., histonų modifikacijos ir DNR metilinimas) gali paaiškinti, kaip genų ekspresija yra griežtai laikinai reguliuojama sezoniškai be genomo mutacijos, leidžiant greitus ir grįžtamus fenotipinius pokyčius.
Ką tai reiškia žmogaus sveikatai ir tolimesniems tyrimams?
Atradus koordinuotą genetinę programą, leidžiančią atvirkštinį smegenų susitraukimą be neurodegeneracijos, atsiveria intriguojančios perspektyvos žmonių medicinai. Mokslininkai pabrėžia atsargumą: rūšys, demonstruojančios Dehnelio fenomeną, turi specifines ekologijas ir fiziologijas, kurios tiesiogiai nekopijuojamos į žmogaus biologiją. Visgi DNR taisymo, energijos homeostazės bei kraujagyslių barjero reguliavimo genų sukaupta informacija rodo galimas biomarkerio ir terapinio taikinio kandidačių kryptis ligoms, kurioms būdingas neuronų nykimas arba metabolinis stresas.
Aurora Ruiz-Herrera, ląstelių biologė iš Barselonos Autonominio universiteto, atkreipia dėmesį, kad genai, kontroliuojantys energijos balansą ir kraujagyslių smegenų barjerą, „nurodo galimus biomarkerius ir terapinius taikinius neurodegeneracinėms ligoms“, tačiau prideda, kad šių mechanizmų perkėlimas į žmogų reikalauja atidaus ir ilgo patvirtinimo proceso. Tai apima preklininius modelius, saugumo vertinimus bei tyrimus, siekiant suprasti, ar aktyvavus ar slopinant tam tikrus kelius būtų galima pasiekti saugų regeneracijos efektą be nepageidaujamų reakcijų.
Integruodami visa-genomo sekoskaitą su sezonine ekspresijos dinamika, tyrėjai perėjo nuo apibūdinimo prie mechanizmo — atskleidė subtiliai subalansuotą sistemą, leidžiančią paprastiesiems pelėdrykams sumažinti ir atkurti smegenų audinius sezonų ciklo metu be įprastos neurodegeneracijai būdingos ilgalaikės žalos. Tai atveria naujas tyrimo kryptis: kaip smegenys toleruoja ekstremalius fiziologinius pokyčius ir ar tam tikros šios tolerancijos sudedamosios dalys galėtų būti pritaikytos žmogaus terapijose.
Tolimesni tyrimai galėtų tirti eksperimentinius modelius, kuriuose imituojami vandens ir osmosiniai pokyčiai smegenų tarpląstelinėje terpėje, analizuojant kraujagyslių barjero pralaidumo dinaminius parametrus ir specifinių genų modulaciją, pavyzdžiui, VEGFA signalo slopinimą arba skatinimą. Be to, ląstelių lygmens analizės, tokios kaip vienaląstė (single-cell) ekspresijos profilaktika sezono metu, gali atskleisti, kurios neuronų ar gliocitų potipės aktyviai dalyvauja regeneracijoje arba prisitaikyme.
Galiausiai, iš praktinės perspektyvos, šios linijos tyrimų gali prisidėti prie naujų diagnostikos priemonių, leidžiančių ankstyviau aptikti metabolinius ar vaskulinius disbalansus, susijusius su neurodegeneracinėmis ligomis, ir parengti strategijas, kaip apsaugoti neuronų gyvybingumą per medžiagų apykaitos krizės epizodus. Nors kelias nuo gyvūnų modelio iki gydymo žmogui yra ilgas, Dehnelio fenomeno genetiniai atradimai siūlo vertingas koncepcines idėjas ir naujus hipotezių šaltinius ateities tyrimams.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą