Голые землекопы адаптируются к гипоксии, снижая температуру тела

Голые землекопы — небольшие роющие грызуны — часто оказываются в условиях гипоксии. При этом они могут резко снижать температуру тела и скорость потребления кислорода (скорость метаболизма) до 85%. Такой режим экономии энергии позволяет переносить гипоксию, при этом животные остаются в сознании, сохраняют подвижность и все жизненные функции. Они несколько дней и даже недель могут жить при уровне кислорода в 8–10% и несколько часов — при 3%.

Исследователи из Канады и ЮАР выяснили, что у голых землекопов изменения скорости метаболизма и уровня межлопаточного термогенеза связаны между собой. В этой зоне у млекопитающих сосредоточен бурый жир, который активно генерирует тепло, когда температура окружающей среды снижается.

Механизм индуцированного холодом термогенеза связан с повышением экспрессии белка термогенина (или разобщающего белка, UCP1). Это мембранный белок, находящийся в митохондриях клеток бурой жировой ткани. Он разобщает процессы митохондриального дыхания и синтеза АТФ (фосфорилирования), и энергия окисления питательных веществ используется для генерации тепла. Оказалось, что при гипоксии термогенез, опосредованный бурым жиром, резко снижается. Это происходит из-за уменьшения экспрессии UCP1.

Сначала авторы исследования с помощью тепловизоров измеряли температуру поверхности тела голых землекопов, находящихся в лаборатории. При обычной для животных температуре среды (30°С) в условиях нормоксии грызуны активно выделяли тепло, особенно интенсивно — в межлопаточной области. Температура их тела была на 3°С выше температуры среды. При гипоксии (до 7% O₂) термогенез резко снижался уже через час, и вскоре общая температура тела почти сравнивалась с температурой окружающей среды.

То же самое ученые продемонстрировали при температуре 20°C. При нормоксии землекопы продолжали активно выделять тепло, и их тело было на 7–9°С теплее температуры окружающей среды. При гипоксии термогенез и температура тела снижались.

Чтобы понять, из-за чего межлопаточный термогенез так быстро меняется, исследователи содержали голых землекопов при нормоксии или острой гипоксии (7% О₂) при 30° C в течении 1–3 часов. Затем их бурый жир препарировали и исследовали экспрессию термогенных белков UCP1 и UCP3, а также экспрессию белков комплексов окислительного фосфорилирования (OXPHOS).

Спустя 1–3 часа при острой гипоксии экспрессия белка UCP1 снизилась на 58–62% по сравнению с нормоксией. Количество бурых адипоцитов, экспрессирующих UCP1, уменьшилось через три часа гипоксии примерно на 9%. Экспрессия белков митохондриальных комплексов OXPHOS снизилась на 37–63%. А уровень UCP3 изменился незначительно.

Кроме того, ученые исследовали изменения ультраструктуры митохондрий бурых адипоцитов и морфологии их крист при гипоксии. С помощью иммуноблоттинга они определили, что экспрессия белка TOM20, который расположен на внешней мембране митохондрий, снижается. По количеству этого белка можно определить число митохондрий в клетке.

Для исследования морфологии митохондрий использовали ПЭМ. При нормоксии обнаружили много митохондрий с целыми мембранами и плотными кристами. А при гипоксии уменьшились общая площадь митохондрий, количество и длина крист. Это согласовывалось с уменьшением экспрессии TOM20. Почти все изменения были обратимы, и после восстановления уровня кислорода показатели возвращались к норме.

Деградация UCP1 в бурой жировой ткани голых землекопов оказалась не связана с механизмами, которые предполагали ученые, — митофагией и убиквитин-зависимой деградацией белка. Возможно, деление митохондрий во время острой гипоксии опосредует снижение количества термогенных мембранных белков митохондрий и способствует быстрому подавлению термогенеза.

«Голых землекопов часто называют холоднокровными или пойкилотермными — температура их тела зависит от температуры окружающей среды. Но наши данные показывают, что голые землекопы не только активно выделяют тепло, но и могут стремительно менять интенсивность термогенеза в условиях гипоксии — то есть, они гетеротермичны,» — отмечает старший автор статьи Мэтью Паментер, доцент кафедры биологии Университета Оттавы и глава лаборатории Паментера.

Также ученые обнаружили, что быстрое изменение UCP1 при воздействии гипоксии происходит у трех других социальных видов землекопов, а у одиночных видов — нет. Вероятно, социальная структура колонии мелких грызунов как-то связана с механизмами терморегуляции.