Плацентарные млекопитающие усовершенствовали способность к термогенезу после расхождения с сумчатыми

Способность производить тепло (термогенез) снизила зависимость млекопитающих от климата, способствовала увеличению размеров мозга и регуляции роста и веса тела. Все это позволило млекопитающим занять разнообразные ареалы обитания, в том числе с холодны климатом. Выработка тепла происходит не только при участии мышц (сократительный термогенез), но и благодаря клеткам бурой жировой ткани (несократительный термогенез), в митохондриях которых энергия окисления органических соединений не запасается в АТФ, а выделяется в виде тепла. Их внутренняя мембрана содержит разобщающий белок 1 (uncoupling protein 1, UCP1), который выравнивает концентрацию протонов водорода по обе стороны мембраны и тем самым нарушает работу фермента АТФазы.

Исследование UCP1 млекопитающих ограничено видами из числа плацентарных, в частности, грызунами и людьми, в то время как его функция у сумчатых, которые сформировали самостоятельную ветвь около 120–180 млн лет назад, мало изучена. Ученые из Швеции, Германии и Великобритании проанализировали транскриптомы жировой ткани опоссумов Monodelphis domestica и мышей Mus musculus — сумчатых и плацентарных модельных организмов соответственно.

Признаки терморегуляции проявились у восьминедельных детенышей M. domestica, то есть вскоре после прекращения грудного вскармливания, что согласовывалось с литературными данными. Одновременно с выработкой собственного тепла возросла экспрессия гена Ucp1, транскрипты которого обнаружили только в жировой ткани. Причем их содержание было выше в паховых отложениях, где у плацентарных сородичей локализован бежевый жир — белая жировая ткань с чертами бурой.

Генетическая сигнатура, регулирующая экспрессию Ucp1 во всех жировых депо у шестинедельных опоссумов, совпадала с таковой в белой жировой ткани мышей, что дополнительно подтверждало отсутствие термогенеза у юных представителей сумчатых. В то же время у десятинедельных животных паттерны экспрессии генов, связанных с Ucp1, варьировали для разных жировых депо. Так, схожий паттерн обнаруживался в паховых отложениях опоссумов и в буром жире мышей. Однако сходство не было полным, скорее следует говорить о соответствии сетей регуляции Ucp1 в паховом жире опоссумов и бежевом жире мышей.

Чтобы оценить роль UCP1 в термогенезе сумчатых, исследователи получили культуры HEK293 с разным содержанием белков опоссумов и мышей. После активации специфическими молекулами мышиный UCP1 обеспечивал перенос протонов водорода через внутреннюю мембрану митохондрий, чего не происходило при активации белка опоссумов. Авторы пришли к выводу, что разобщающий белок сумчатых не участвует в термогенезе, и отметили, что UCP1 сумчатых мог утратить эту функцию в ходе эволюции либо не обладал ею изначально, и тогда UCP1 плацентарных приобрел подобную функцию позднее. На участие в выработке тепла могло повлиять изменение состава разобщающего белка, который различается у двух групп млекопитающих на 65 аминокислот.

Наконец, при помощи филогенетического подхода исследователи охарактеризовали UCP1 родоначальников ветвей сумчатых и плацентарных животных, а также их общего предка. Оказалось, что белок прародителя плацентарных животных участвовал в выработке тепла, в то время как белки предка сумчатых и общего предка млекопитающих не были способны на это. Авторы работы предположили, что способность к термогенезу млекопитающие приобрели в две стадии: на первой UCP1 вырабатывался в жировых клетках общего предка млекопитающих во время холодных периодов, на второй, после выделения сумчатых в самостоятельную ветвь около 120–180 млн лет назад, UCP1 родоначальника плацентарных включился в процессы выработки тепла.

Спячка сони и медведя отличается на молекулярном уровне