Лінивці є рекордсменами серед усіх ссавців за повільністю. Через специфіку життя у густих джунглях їх дослідження завжди було складним завданням, проте вперше в історії науковцям вдалося розшифрувати та проаналізувати геном двопалого лінивця.
Дослідники з Інституту досліджень зоопарків і дикої природи імені Лейбніца (IZW) у Берліні, Інституту Сенгера (Wellcome Sanger Institute), лікарні Sírio Libanês у Сан-Паулу (Бразилія) та їхні колеги здійснили секвенування геному двопалого лінивця, який утримувався в неволі.
Вивчаючи еволюційний шлях цього виду, вони виявили унікальні для нього так звані «стрибаючі гени». Ці генетичні послідовності залишалися незмінними протягом мільйонів років і пов’язані з метаболізмом тварини.
Результати дослідження, опубліковані в журналі BMC Biology, починають розкривати генетичні особливості унікальної біології лінивця. Ці дані можуть стати основою для нових відкриттів у вивченні метаболічних захворювань та процесів старіння у інших ссавців, зокрема й у людей.
Як еволюціонували лінивці
Разом із броненосцями та мурахоїдами, лінивці належать до ряду Неповнозубі (Xenarthra) — єдиної групи плацентарних ссавців, що походить з Південної Америки. Ці тварини існують вже 65,5 мільйона років. Їхніми предками були гігантські наземні лінивці розміром зі слона. Сучасні лінивці повністю пристосувалися до життя на деревах і поділяються на дві групи: двопалі та трипалі.
Лінивці славляться своєю винятковою повільністю. Більшу частину часу вони проводять на деревах, нерухомо звисаючи та майстерно маскуючись серед листя. Навіть коли вони пересуваються між гілками, щоб поласувати листям чи фруктами, їхні рухи сповнені неквапливості. Їхній метаболізм є найнижчим серед ссавців.
Для економії енергії вони можуть регулювати температуру свого тіла або дозволяти їй коливатися разом із температурою навколишнього середовища (з перепадом близько 5°C).
Попри свою повільність на суші, лінивці є вправними плавцями і можуть долати значні відстані у воді, наприклад, під час пошуку партнера.
Розшифровка геному лінивця
Для глибшого розуміння унікальної біології цих тварин науковці з IZW, Інституту Сенгера та їхні колеги застосували геноміку. Використовуючи зразки від лінивця, що утримувався в неволі, команда виділила ДНК з тканин. Подальше секвенування було проведене в Інституті молекулярної клітинної біології та генетики Макса Планка в Німеччині.
Дослідники проаналізували геном лінивця і порівняли його з геномами інших ссавців, зокрема мурахоїда та броненосця, застосувавши метод порівняльної геноміки. Це дозволило зіставити генетичні «інструкції» різних тварин і визначити, що саме робить лінивця настільки унікальним.
Вчені виявили, що геном лінивця містить кілька копій активних транспозонів, або «стрибаючих генів». Це ділянки ДНК, здатні копіювати себе та вставлятися в нові місця геному. Хоча подібні елементи присутні й у людському геномі, зазвичай вони неактивні, старі та фрагментовані.
Активні «стрибаючі гени» можуть призводити до перебудов у хромосомах, що у людей часто асоціюється з розвитком раку.
Гени, пов’язані з метаболізмом
Завдяки геноміці, яка дозволяє відстежити еволюцію лінивців, дослідники з’ясували, що ці «стрибаючі гени» з’явилися ще в останнього спільного предка всіх сучасних видів лінивців, приблизно 30 мільйонів років тому. З того часу вони збереглися незмінними, ставши унікальною генетичною рисою, притаманною лише лінивцям.
Багато з цих генів виявилися пов’язаними з мітохондріями — «енергетичними станціями» клітин, що виробляють енергію, — а також із метаболічними шляхами.
Оскільки лінивці мають один із найнезвичніших метаболізмів серед ссавців, науковці вважають, що ці специфічні гени тісно пов’язані з їхніми адаптаціями до навколишнього середовища та еволюцією їхнього повільного метаболізму.
Наступним етапом дослідження стане детальне вивчення цих генів у клітинних лініях. За допомогою лабораторних експериментів та секвенування окремих клітин команда планує підтвердити їхню функцію. Дослідники припускають, що клітинні лінії лінивців можуть стати моделлю для вивчення метаболічних та вікових захворювань у ссавців, включно з людьми.
«Еволюція вже провела мільярди експериментів. Вивчаючи таких незвичних тварин, як лінивці, ми часом знаходимо біологічні рішення, до яких людство так і не прийшло в процесі свого розвитку, — зазначає доктор Марсела Уліано-Сілва, старша біоінформатикиня та співавторка дослідження з Інституту Сенгера. — Використовуючи геноміку для погляду в минуле, ми виявили “стрибаючі гени”, які лінивці зберігали протягом мільйонів років. Ці унікальні для них генетичні послідовності пов’язані з мітохондріями та метаболічними шляхами, що натякає на їхній прямий зв’язок із формуванням їхнього надзвичайно повільного обміну речовин».
«Багато людських хвороб — включно з діабетом, віковими розладами, нейродегенерацією та атрофією м’язів — пов’язані з порушенням виробництва енергії та функціонування мітохондрій. Хоча необхідні подальші дослідження, клітинні лінії лінивців можуть запропонувати нам природну модель для розуміння того, як організми справляються зі станами низького енергоспоживання та що саме відбувається під час хвороби, — пояснює доктор Педро Галанте, співавтор дослідження з лікарні Sírio Libanês у Сан-Паулу. — У довгостроковій перспективі це може сприяти розвитку досліджень у галузі збереження тканин, реаніматології, вивчення старіння, метаболічних захворювань і навіть тривалих космічних подорожей».
«Лінивці мають найповільніший метаболізм серед усіх ссавців, і водночас залишаються абсолютно здоровими. Розуміння того, як їм це вдається, може відкрити нові горизонти в тому, як клітини ефективно керують енергією, — резюмує доктор Каміла Маццоні, співавторка та керівниця відділу еволюційної геноміки й геноміки збереження видів в Інституті імені Лейбніца (IZW) у Берліні. — Наші висновки свідчать про те, що лінивці, ймовірно, виробили генетичні “резервні системи”, які допомагають компенсувати роботу їхніх “розслаблених мітохондрій” і підтримувати їхній унікальний, сповнений спокою спосіб життя».