Казанская лаборатория Русфонда — конвейер. Благодаря технике секвенирования нового поколения NGS тут за неделю анализируют и вносят в регистр потенциальных доноров генетические данные нескольких сотен человек. И одновременно NGS помогает двигать вперед науку, чтобы дать врачам новые удивительные возможности. Например, исследование генов, отвечающих за спячку животных, позволит научить живые ткани без вреда для себя переносить сильное охлаждение и нехватку кислорода.

Зимние сказки

Животные впадают в спячку по-разному. Берлога с сосущим лапу медведем, которая прежде всего приходит в голову, — не самый интересный вариант. Температура тела бурого медведя в спячке понижается всего на 6–7 градусов, и он довольно легко просыпается. Да и лапу не сосет. В спячку, только летнюю, впадают даже некоторые приматы, но тоже в не очень-то глубокую.

Другое дело — полярные грызуны: суслики, сурки, бурундуки. Если хотите узнать удивительные факты про их сон, почитайте эту работу. Некоторые из них — в зависимости от места обитания — могут проводить в спячке больше половины жизни. А ведь есть еще время подготовки к спячке, когда активность грызунов постепенно падает, они все реже вылезают из норы, а тело у них холодеет.

Потребление кислорода — снижаться в 100 раз, скорость метаболизма — в 130 раз.

Цифр много, но сам механизм спячки — то, каким образом перестраиваются ткани живого организма в это время, — изучен плохо. Спячка — это оцепенение, но по своей сути нисколько не сон. Есть, например, такая удивительная вещь: глубоко спящие грызуны несколько раз за зиму на некоторое время разогреваются до своей обычной температуры, а затем постепенно снова остывают. Есть предположение, что зверьку в спячке… не хватает сна. Нормального сна, как в периоды активной жизни. И нагревается он как раз для того, чтобы долгой полярной ночью хоть пару часов поспать «по-человечески», в тепле. Правда, есть и другие возможные объяснения такого феномена.

Разобраться во всем этом на самом базовом, генетическом уровне решила группа японских исследователей вместе с Лабораторией экстремальной биологии Казанского федерального университета (эта лаборатория — брат-близнец лаборатории Русфонда, она находится в том же здании, сотрудники обеих лабораторий часто делают общую работу, об их взаимоотношениях я рассказывал подробно здесь). Ученые хотели понять, как меняется во время оцепенения экспрессия генов, то есть создание на основе закодированной в них информации белков. Результаты были опубликованы совсем недавно.

Интереснее всего было бы исследовать спячку сурков или сусликов, но это сложно чисто практически, и еще слишком мало известно про их геном. Другое дело — мышь, вечный страдалец, объект постоянных экспериментов. Ее геном изучен не хуже человеческого.

— У мышей нет настоящей спячки, — объясняет Гузель Газизова, исследователь Лаборатории экстремальной медицины, участвующая в проекте. — Во время нее животное впадает в такое состояние, что даже боли не чувствует. У мышей не так. Но если они долго остаются без пищи, то впадают в оцепенение. Замедляется метаболизм, падает температура, снижается активность — только в меньшей степени, чем при спячке.

Оторвали мышке лапу

Участниками эксперимента стали несколько десятков лабораторных мышей. Непосредственным объектом — их скелетная мускулатура. А точнее, камбаловидные мышцы. У нас эти довольно широкие мышцы лежат под икроножными, вторым слоем. У мышей примерно там же. Исследователи хотели изучить экспрессию генов в этих мышцах при, так сказать, «голодном обмороке», который наступает у значительной части мышей после 24-часового отсутствия пищи и при некотором понижении температуры окружающей среды.

Много пришлось потрудиться ради чистоты эксперимента. Ведь нужно было получить для анализа камбаловидные мышцы не только оцепеневших мышей, но и, для сравнения, мышей, которые еды не получали, но сохранили активность.

Чтобы наблюдать процесс в динамике, мышечные ткани исследовали до впадения в ступор, в первые, вторые и третьи сутки такого состояния, а также после возвращения к нормальной жизни. Экспрессию генов в них изучали с помощью NGS — секвенирования нового поколения. Интересно, что аппарат использовался даже более мощный, чем при типировании доноров (на фото Гузель как раз работает с ним). Ведь у доноров изучают только небольшой участок генома, а мышей пришлось подвергнуть полногеномному исследованию.

В результате было обнаружено 287 генов, экспрессия которых существенно меняется во время мышиного оцепенения. Одним из главных ответственных за «голодный обморок» оказался ген Atf3, который и раньше был известен своей активностью в ситуациях стресса. Этот ген, можно сказать, работает посредником между внешним миром и другими генами: он производит белок, который влияет на их работу.

Сурковая масса

Выявление генов, связанных со спячкой, — это только начало. Беспорядочный набор объектов, которые еще предстоит структурировать, разобраться в их взаимоотношениях. Зато, возможно, после этого исследования могут перейти в практическую плоскость.

— Наши результаты можно будет использовать в медицине, — уверена Гузель.

Ее японский коллега и старший товарищ, Генширо Сунагава из научно-исследовательского института RIKEN, видит целый ряд направлений, где бы это можно было применить.

«Искусственное оцепенение» позволит удобно хранить предназначенные для пересадки органы, как полагает Сунагава. А также, возможно, оно станет одним из элементов анестезии — наверняка такую анестезию будут продвигать как «самую естественную, без химии».

Ну и о космическом применении «зимней спячки» не стоит забывать. У животных в таком состоянии не происходит атрофии мышц. Вместо того чтобы потеть в замкнутом пространстве, поддерживая мышцы в тонусе, межпланетные путешественники могли бы спокойно отдыхать.

Фото: Марат Хафизов