灰熊在冬眠前和冬眠期间表现出显着的基因控制

作为人类沙发土豆可以大大增加脂肪堆积，加速II型糖尿病症状的发作，导致有害的血液化学和心血管变化，并最终导致一个人的死亡。

然而，像熊这样的大型冬眠者已经进化到适应和逆转他们每年在冬眠前和冬眠期间面临的类似代谢应激物，基本上对这些不良影响免疫。

在华盛顿州立大学贝尔研究，教育和保护中心进行的基于RNA测序的新基因研究表明，灰熊表达的大量基因在准备和休眠期间应对这些压力因素，比其他任何研究的物种都要多。

当校正其他冬眠研究中使用的不同样本大小时，基因王切换最高级甚至成立。

这项工作是在华盛顿的普尔曼进行的，这里是世界上唯一一所以大学为基地的俘虏灰熊种群。它于9月13日发表在Springer Nature出版物“ 通讯生物学 ”杂志上。WSU科学家对这项研究的肌肉，肝脏和脂肪组织进行了活组织检查。

它始于冬眠的奇迹

几个世纪以来，人们对已知冬眠的各种物种着迷。科幻作家描述了与人类一起使用的梦幻太空之旅和冬眠状态。医学诱导的人类昏迷使他们超越了特殊的创伤或疾病状态，器官被冷却储存和运输，科学家们不断怀疑是否可以诱导冬眠作为一种治疗工具。已经研究了各种各样的物种，包括那些在温暖月份“冬眠”的物种和冬季冬眠并且体温有时会降至接近冰点的物种。但不是熊。熊看起来更像人类。

与一些假设的睡眠等效物不同，冬眠是一种非常特殊的代谢状态，它根据物种和它们冬眠的环境而变化。所研究的所有物种的冬眠机制都受其基因表达的控制。

“熊和其他冬眠者有睡眠和觉醒周期，但这些都与睡眠类型和发生频率不同，”该论文的第一作者Heiko Jansen教授说。

有了灰熊，可观察到的冬眠细节令人震惊。在近六个月的冬眠期间，灰熊只保持略低的体温，基本上不吃，排尿或排便。然而，他们确实分娩和生产牛奶，并且他们不会失去显着的骨骼或肌肉质量。在代谢方面，在冬眠期间，它们是哺乳动物通常必须消除或遭受其累积毒性的废物的最终回收者。

对人体进行的研究表明，即使只有24小时的禁食和限制床也会导致可测量的血糖和化学变化以及骨骼和肌肉的损失。灰熊虽然在整个冬眠期间保持接近正常的血糖水平。通过降低对胰岛素的敏感性，熊可以保存它们产生的葡萄糖。

之前在华盛顿州立大学进行的灰熊心脏病研究表明，在冬眠期间，熊的心率可以降至每分钟5次以下，平均为12至15次，而血液的稠度类似于浓稠的肉汁。他们的心脏基本上将泵送限制在其四个腔室中的两个腔室中，从而节省能量。然而，惊吓一个冬眠的灰熊，它可以在几秒钟内将心脏每分钟旋转100次。

灰熊队开发了这种独特的适应性，以便在食物稀缺时度过艰苦的冬天。通过冬眠，他们消耗很少的能量，生存，分娩和护理，直到食物再次变得丰富。

冬眠熊的基因表达非常显着

虽然其他物种的其他研究已经研究了冬眠前和冬眠期间组织中的基因表达，但迄今为止的工作从未在灰熊中完成。WSU的结果虽然有些预期，但远远超过了之前看到的不同遗传表达水平。

“差异表达基因的数量惊人，”WSU副教授Joanna Kelley说。

通过对RNA进行测序，研究小组研究了六头熊的食欲过盛[发音为HY-per-fay-gee-uh]和随后的冬眠。Hyperphagia意指在冬眠之前，当熊开始进食过量以便将能量储存为脂肪时。根据人类标准，每年这个时候的熊将被视为病态肥胖。

在这些发现中，所研究的所有三种组织都具有在冬眠期间发生的动态基因表达变化。也许更重要的是，他们发现在所有三种组织中都有相同基因的子集同时发生相同的变化。

脂肪是促进冬眠的组织，可能协调其他组织的保留。但是，尽管摄入了卡路里和脂肪，但熊并没有遭受与人类相同的负面影响。此外，他们通过根据季节打开和关闭基因来逆转这一过程。

在活跃的季节禁食熊似乎是时候进行冬眠不会使同样的基因像秋末一样开启和关闭。在冬眠中喂熊，基因也不能被愚弄; 冬眠仍在继续。

“许多人认为，当熊经历食欲过盛时，脂肪就会积聚并作为燃料储存器存在，”Jansen解释说。“事实上，我们的研究表明脂肪组织远非惰性。与正常季节性活动期间的表达水平相比，脂肪实际上非常代谢活跃，是由于冬眠期间脂肪中1000多种独特基因的表达所致。 。

“在整个饮食过度和冬眠过程中，胖子的整个角色仍然是一个值得继续探索的令人兴奋的领域。”

Jansen接着解释说，在活动期和随后的饮食过度中，所研究组织的遗传表达不同。虽然脂肪中的许多基因差异表达，但没有基因像肌肉组织中那样表达，只有三个在肝组织中差异表达。

差异基因表达还意味着基因可以根据基因上调或下调，类似于一组开关打开或关闭。在脂肪组织中表达的基因中，与活跃季节相比，超过2000个被上调，并且大约1800个在冬眠中被下调。

“看到不同组织中相同的基因组被上调或下调，同时最好地为动物提供服务，这表明该过程可能有一个共同的控制机制，使这更像是一种'按需'调节，”凯利说。