Секрет успеха высокогорного листоухого хомячка

Жизнь на большой высоте сопряжена с множеством трудностей, таких как низкие температуры, ограниченный доступ к пище и недостаток кислорода в воздухе. Например, на высоте 5000 м парциальное давление кислорода вдвое меньше, чем на уровне моря. Для поддержания концентрации кислорода в крови млекопитающему, перенесенную на такую высоту, пришлось бы дышать гораздо чаще, что привело бы к быстрой потере углекислого газа (CO2) и защелачиванию организма. Однако андские листоухие хомячки (Phyllotis vaccarum) — рекордсмены по «высокогорности» — приспособились к обитанию на высоте более 6700 м, что считалось невозможным для млекопитающих. Авторы статьи в Science выяснили, какие адаптации позволяют листоухим хомячкам выжить в таких условиях. 

Ученые собрали 167 особей P. vaccarum в 33 различных местах, в том числе экстремальных высокогорных районах — вулканах плато Атакама (высота над уровнем моря 5 км и более). Они секвенировали полные геномы P. vaccarum из высокогорных и равнинных (1420 м над уровнем моря) местообитаний, а также проанализировали близкородственный вид P. darwinii, не приспособленный к обитанию в горах. Популяционно-генетический анализ 25,4 млн однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) не выявил значительной разницы между самыми высокогорными или самыми равнинными популяциями P. vaccarum, что необычно для мелких млекопитающих. 

Затем исследователи проанализировали фенотипические адаптации в условиях эксперимента. Хомячков помещали в метаболические камеры и имитировали различные высоты — 4300 м (12% O₂) и 7000 м (8,7% O₂). Ученые измеряли скорость потребления кислорода (VO₂) и выделение углекислого газа (VCO₂), в том числе при холодовом стрессе. Существенных различий в базальном метаболизме между группами не наблюдалось, и коэффициент дыхательного обмена (VCO₂/VO₂ в пределах 0,7-0,8) соответствовал окислению липидов как основному источнику энергии для термогенеза. По максимальному VO₂ авторы оценивали способность животных к термогенезу, и в целом этот показатель снижался при усилении гипоксии. Однако у листоухих хомячков из высокогорных районов снижение было менее выраженным, чем у их равнинных сородичей.

В мышцах P. vaccarum была повышена активность митохондриальных ферментов, таких как цитохром c-оксидаза (COX), β-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа (HOAD), катализирующая β-окисление жирных кислот и цитратсинтаза (CS). Активность HOAD также была повышена в бурой жировой ткани, кроме того, у всех представителей была повышена активность гексокиназы в икроножной мышце, левом желудочке сердца и диафрагме.

У других грызунов, адаптированных к высокогорью, сродство гемоглобина к кислороду выше, чем у равнинных животных. Однако сродство гемоглобина к кислороду не зависело от местообитания P. vaccarum и не было выше, чем у P. darwini — авторы сделали вывод, что насыщение артериальной крови кислородом обеспечивается иначе. Альтернативным способом могло быть учащенное дыхание. В пользу этого говорит сниженная активность карбангидразы в крови высокогорных P. vaccarum, что, вероятно, защищает их от слишком быстрого выведения CO2 при гипервентиляции. 

Наконец, ученые проанализировали 123 полных генома P. vaccarum, чтобы выявить локусы, связанные с адаптацией к высокогорью. Они обнаружили 19 генов-кандидатов, связанных с метаболизмом длинноцепочечных жирных кислот и их биосинтезом. По-видимому, способность к термогенезу при гипоксии объясняется в том числе усиленным метаболизмом жирных кислот, на которую мог идти отбор в ходе эволюции высокогорных P. vaccarum. 

Таким образом, андские листоухие хомячки способны поддерживать достаточный уровень кислорода в термогенных тканях даже на больших высотах. Это позволяет им использовать интенсивное окисление липидов для термогенеза, несмотря на то, что такой путь требует больше кислорода, чем окисление углеводов. 

Мутации у жителей Анд и Тибета, связанные с адаптацией к высокогорью, затрагивают один и тот же ген