Коні подолали генетичні зміни, щоб здобути неймовірну швидкість і витривалість.

Дослідження науковців показало, що коні пройшли еволюційний розвиток завдяки унікальній генетичній мутації, яка дозволяє їм генерувати більшу кількість енергії без негативного впливу на тканини організму. Цей механізм може стати основою для нових підходів у лікуванні людських захворювань.

Еволюція часто ставить живі організми перед важкими компромісами, створюючи виклики, що впливають на їхнє здоров'я та тривалість існування. Наприклад, м'язи чистокровних скакових коней споживають у два рази більше кисню в розрахунку на масу порівняно з м'язами найкращих атлетів серед людей. Однак кисень, який є джерелом енергії, має і свої негативні наслідки: він сприяє утворенню вільних радикалів — молекул, які можуть завдавати шкоди тканинам організму. Цей окислювальний стрес є серйозною проблемою не лише для спортивних досягнень, але й для продовження життя та лікування захворювань, таких як епілепсія чи хвороба Паркінсона. Як же коням вдалося подолати цю загальну біологічну перешкоду та стати еталоном фізичної досконалості? Відповідь полягає в їхній унікальній генетичній адаптації, яка, як виявилось, пов'язує еволюційні зміни з потенційними медичними відкриттями.

Нове дослідження, проведене лабораторією Джанні Кастільйоне з Університету Вандербільта у співпраці з Елією Духом із Медичної школи Джонса Гопкінса, розкриває, як коні використали генетичний механізм, що раніше вважався притаманним лише вірусам. Результати роботи, опубліковані 28 березня в журналі Science під назвою "Пропуск генетичного стоп-сигналу прискорює кисневий обмін та енерговироблення у коней", показують, що рідкісне явище, відоме як опалове перекодування, виникло в предків сучасних коней мільйони років тому. Це явище, яке трапляється лише в 0,1% білків, змінило біохімію м'язових клітин, дозволяючи коням досягати надзвичайної витривалості та швидкості без шкоди для організму.

Кастільйоне та його команда займалися вивченням біохімічного шляху NRF2/KEAP1, який є критично важливим для контролю окислювального стресу. Цей механізм добре відомий у галузі спортивної науки та клінічної медицини, оскільки допомагає клітинам долати надмірні рівні вільних радикалів, які виникають під час інтенсивних фізичних навантажень або в тканинах з високими енергетичними вимогами, таких як нейронні клітини. NRF2 функціонує як транскрипційний фактор, активуючи гени, що відповідають за синтез антиоксидантів — молекул, які нейтралізують вільні радикали. Однак надмірна активація NRF2 може бути небезпечною, оскільки може призвести до розвитку ракових захворювань або навіть загрози життю. Для запобігання цьому білок KEAP1 контролює NRF2, з'єднуючи його та руйнуючи в нормальних умовах. Коли рівень вільних радикалів підвищується, KEAP1 "відпускає" NRF2, що дозволяє йому активувати механізми антиоксидантного захисту.

Дослідники виявили, що у всіх сучасних коней, ослів та зебр присутня мутація в гені KEAP1, яка робить м'язові клітини стійкішими до пошкоджень від вільних радикалів. Ця мутація має ще одну перевагу: вона посилює енерговироблення в мітохондріях м'язових клітин, дозволяючи коням отримувати максимум енергії без шкідливих побічних ефектів. Унікальність цієї мутації полягає в тому, що в 99,9% відомих білків вона діяла б як стоп-кодон, повністю припиняючи синтез білка. Однак у коней цей стоп-кодон перекодувався в амінокислоту цистеїн, сірковмісна група якої змінила біохімію м'язів на користь витривалості. Раніше вважалося, що опалове перекодування має адаптивне значення лише для вірусів, які швидко пристосовуються до нових умов. Проте коні, ймовірно, зіткнулися з настільки сильним еволюційним тиском, що їм довелося "переглянути" генетичні механізми, щоб розвинути свої унікальні фізичні можливості.

Це відкриття спирається на добре задокументовану історію еволюції коней, яка простежує їхній розвиток від невеликих предків розміром із собаку до сучасних фізіологічних гігантів. Цей еволюційний шлях є класичним прикладом у підручниках біології, зокрема в одному з перших підручників Університету Вандербільта 1883 року, де зазначалося, що всі сучасні породи коней походять від єдиного виду Equus caballus. Такий багатий еволюційний контекст робить коней ідеальною моделлю для вивчення адаптацій.

Це відкриття не лише сприяє глибшому розумінню еволюційних процесів у коней, але й має значний потенціал у медичній сфері. Приблизно 11% усіх захворювань у людей асоціюються з передчасними стоп-кодонами, які коні успішно подолали завдяки процесу опалового перекодування. Команда Кастільйоне вже розробляє генні терапії, що використовують молекули коней для поліпшення перекодування стоп-кодонів у мишах. Що стосується шляху NRF2/KEAP1, він вважається "золотою серединою" у терапії: його надмірна активація може призвести до розвитку раку, тоді як недостатня – до збільшення окислювального стресу. Мутація в KEAP1 у коней забезпечує оптимальний рівень активності цього шляху, що робить його перспективною ціллю для створення нових лікувальних методів для захворювань, таких як емфізема, хвороба Паркінсона та епілепсія, де надлишок вільних радикалів або порушення у виробництві енергії відіграють важливу роль.

Лабораторія Кастільйоне не зупиняється на досягнутому. Вчені досліджують інші адаптації коней, пов'язані з енергетичним обміном, і планують використати ці знання для розробки нових терапевтичних стратегій як для людей, так і для самих коней. Співпраця з медичним центром Університету Вандербільта та Університетом Пенсильванії допомагає втілювати ці ідеї в життя. За словами Кастільйоне, студенти його лабораторії, зокрема Надір Дбук, Аніка Босе та Джошуа Ейс, зробили значний внесок у дослідження, а подальші роботи зосередяться на вивченні шляху NRF2/KEAP1 у птахів, де він, ймовірно, сприяє їхній значно довшій тривалості життя порівняно з ссавцями.

Це дослідження стало можливим завдяки підтримці Ініціативи еволюційних досліджень, Національних інститутів здоров'я США, Фонду Альтшелер-Дюрелл, організації "Дослідження для запобігання сліпоті" та Інституту ока Вілмера. Відкриття Кастільйоне та його команди не лише розкриває таємниці еволюції коней, а й відкриває нові горизонти для боротьби з людськими хворобами, демонструючи, як природа може надихати науку.