《Science》两项研究科学家将冬眠动物的新陈代谢超级能力归因于共享的DNA

来源：生物通

冬眠的动物具有令人难以置信的适应力。它们可以几个月不吃不喝，肌肉不萎缩，体温下降到接近冰点，新陈代谢和大脑活动变得缓慢。

冬眠的动物具有令人难以置信的适应力。当它们从冬眠中醒来时，它们会从类似于2型糖尿病、阿尔茨海默病和中风的危险健康变化中恢复过来。

新的基因研究表明，冬眠动物的超能力可能隐藏在我们自己的DNA中，并为如何解开它们提供了线索，为有朝一日开发出逆转神经变性和糖尿病的治疗方法打开了大门。

两项描述结果的研究发表在《科学》杂志上。

新陈代谢和肥胖的遗传学

研究人员发现，一种名为“脂肪量和肥胖（FTO）位点”的基因簇在冬眠动物的能力中起着重要作用。有趣的是，人类也有这些基因。犹他健康大学神经生物学、解剖学和人类遗传学教授、该研究的资深作者Chris Gregg博士说：“这个区域最引人注目的是，它是人类肥胖的最强遗传风险因素。”但冬眠动物似乎能够以新的方式利用FTO位点上的基因。

研究小组发现了冬眠动物特有的DNA区域，这些区域位于FTO位点附近，可以调节邻近基因的活性，调节它们的强弱。研究人员推测，调整邻近基因的活动，包括FTO位点内或附近的基因，可以让冬眠动物在过冬前增加体重，然后在整个冬眠过程中慢慢地使用它们的脂肪储备作为能量。

事实上，FTO基因座之外的冬眠特异性调节区域似乎对调节新陈代谢至关重要。当研究人员对小鼠的冬眠特异性区域进行突变时，他们看到了小鼠体重和新陈代谢的变化。在特定的饮食条件下，一些突变加速或减缓了体重增加；另一些则影响了在类似冬眠的状态后恢复体温的能力，或调节整体代谢率。

有趣的是，研究人员发现的冬眠特异性DNA区域本身并不是基因。相反，这些区域是DNA序列，它们与附近的基因联系，并调节它们的表达，就像管弦乐队指挥微调许多音乐家的音量一样。这意味着单个冬眠特异性区域的突变具有广泛的影响，远远超出了FTO位点，Susan Steinwand解释说，她是U of U Health的神经生物学和解剖学研究科学家，也是其中一项研究的第一作者。她说：“当你敲除这些元素中的一个——这个微小的、看似无关紧要的DNA区域——数百个基因的活性就会发生变化。这太神奇了。”

研究人员说，了解冬眠动物的代谢灵活性可以更好地治疗人类代谢紊乱，如2型糖尿病。如果我们能像冬眠动物那样调节我们的基因，也许我们就能克服2型糖尿病，就像冬眠动物从冬眠中恢复到正常代谢状态一样。

揭示冬眠的规律

寻找可能导致冬眠的基因区域是一个类似于从巨大的DNA干草堆中挖掘针头的问题。为了缩小涉及的区域，研究人员使用了多种独立的全基因组技术来询问哪些区域可能与冬眠有关。然后，他们开始寻找每种技术结果之间的重叠。

首先，他们寻找大多数哺乳动物共有的DNA序列，但最近在冬眠动物中发生了变化。

“如果一个地区在超过1亿年的时间里，不同物种之间的变化不大，但在两种冬眠的哺乳动物身上却发生了迅速而戏剧性的变化，那么我们认为，这给我们指明了一些对冬眠很重要的东西。”

为了了解冬眠背后的生物过程，研究人员测试并确定了小鼠在禁食期间升高或降低的基因，这些基因会引发类似于冬眠的代谢变化。接下来，他们发现了在这些禁食引起的基因活动变化中扮演中心协调者或“枢纽”角色的基因。

许多最近在冬眠动物中发生变化的DNA区域似乎也与这些中心协调枢纽基因相互作用。正因为如此，研究人员预计冬眠的进化需要对中枢基因的控制进行特定的改变。这些控制包括DNA元素的短名单，这些元素是未来研究的途径。

唤醒人类潜能

大多数与冬眠相关的基因组变化似乎“破坏”了特定DNA片段的功能，而不是赋予新的功能。这暗示冬眠动物可能已经失去了限制，否则这些限制会阻止它们在控制新陈代谢的能力方面具有极大的灵活性。换句话说，人类的“恒温器”可能被锁定在一个狭窄的持续能量消耗范围内。对于冬眠动物来说，这个锁可能已经消失了。

冬眠动物可以逆转神经退化，避免肌肉萎缩，在体重大幅波动的情况下保持健康，并显示出延缓衰老和长寿的能力。研究人员认为，他们的发现表明，如果我们能绕过一些代谢开关，人类可能已经拥有了拥有类似冬眠的超能力所需的遗传密码。

“人类已经有了基因框架，我们只需要确定这些冬眠动物特征的控制开关。”通过研究如何做到这一点，研究人员可以帮助赋予人类类似的适应力。

“通过了解基因组中与冬眠相关的机制，有可能找到干预和帮助治疗与年龄相关疾病的策略。如果它隐藏在我们已经掌握的基因组中，我们可以向冬眠动物学习，以改善我们自己的健康。”

参考文献

Conserved Noncoding Cis-Elements Associated with Hibernation Modulate Metabolic and Behavioral Adaptations in Mice

Genomic Convergence in Hibernating Mammals Elucidates the Genetics of Metabolic Regulation in the Hypothalamus

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