Круглые черви реагируют на физические нагрузки так же, как люди

Рис. 1. Представитель расы червей, занимающийся физической тренировкой. Кадр из кинофильма «Люди в черном — 2»

Группа ученых из США и Бельгии показала, что круглый червь Caenorhabditis elegans так же способен к физическим тренировкам, как и мы. Физиологические изменения и изменения активности ряда генов, вызванные единичной тренировкой, у червей аналогичны тому, как реагируют на нагрузку млекопитающие: после тренировки регистрируется усталость, окислительный стресс, активируются гены антиоксидантов. Так же, как и у млекопитающих, основным источником энергии для работы мышц червя оказался жировой запас мышечной ткани. Результаты этого исследования открывают новые горизонты для раскрытия физиологических, биохимических и прочих основ воздействия физических нагрузок на наше здоровье.

О полезном воздействии физических упражнений на организм млекопитающих (в том числе и нас с вами) известно довольно давно. Их способность снижать вероятность возникновения диабета, рака и сердечно-сосудистых заболеваний, а также замедлять некоторые возрастные нарушения здоровья на данный момент подтверждена научно. Однако механизм столь плодотворного воздействия физических тренировок на здоровье до сих пор мало изучен. Одна из причин тому — недостаток короткоживущих модельных организмов, для которых было бы показано, что физиология их тренировок сходна с нашей. Исследования долгосрочных воздействий тренировок на такие модельные организмы могли бы пролить свет на этот вопрос и дать нам в руки новый инструментарий для поддержания собственного здоровья.

Исследователи из Ратгерского (США) и Гентсткого (Бельгия) университетов проверили, может ли для подобных целей служить круглый червь Caenorhabditis elegans — известная модель для исследований биологии развития, генетики, нейрофизиологии и т. д. (см., например, новости Чтобы превратить самок в гермафродитов, достаточно двух мутаций, «Элементы», 16.11.2009, и Развитие червей начинается с хвоста, «Элементы», 23.11.2006).

Первая проблема, которую было необходимо решить, состояла в определении того, что именно считать физической тренировкой для червя и как заставить его тренироваться. Были рассмотрены две основные модели движения, характерные для круглых червей: ползание и плавание. Ученые решили оценить средние показатели расхода энергии для этих двух типов движения. Для этого они сравнили интенсивность метаболизма в спокойном состоянии и во время движения. Оказалось, что в неподвижном состоянии в жидкости интенсивность метаболизма ниже, чем на твердой поверхности, а во время движения она практически одинакова в обеих средах. Таким образом, получается, что энергетические затраты червя во время плавания выше, чем во время ползания по твердой поверхности. А это значит, что длительное плавание по сравнению с ползанием может считаться физическим упражнением для червя C. elegans.

Во всех экспериментах была контрольная и экспериментальная группа. Червей контрольной группы переносили с питательного агара, засеянного бактериями — пищей для C. elegans — на чистый агар на 90 минут, где они активно ползали, затем их возвращали обратно. Червей экспериментальной группы с питательной среды переносили в буферный раствор, где они плавали в течение 90 минут, а затем их также возвращали на питательный агар (рис. 2, а). Состояние червей после физических нагрузок легко оценить — достаточно понаблюдать, как черви будут ползать по чашке с агаром: активно или с ленцой.

Еще одним подтверждением того, что плавание можно рассматривать как тренировку, является усталость, которую экспериментальные черви демонстрировали после полуторачасового заплыва. По сравнению с контрольной группой они меньше ползали по засеянному бактериями агару. Нормальная подвижность полностью восстанавливалась через час после тренировки (рис. 2, b). Кроме того, подвижность червей после тренировки находилась в обратной зависимости ее продолжительности (рис. 2, с).

Рис. 2. Черви устают после длительного плавания. a — схема эксперимента; b — дистанция, которую прополз каждый червь на засеянной среде после 90-минутного эксперимента; c — отношение пройденных дистанций экспериментальных животных к контрольным после 5, 30, 60 и 90 минут плавания; ns — различия не значимы, значимые (достоверные) различия: * — P < 0,05, **** — P < 0,0001. Рисунок из обсуждаемой статьи в BMC Biology

Следующий вопрос состоял в том, является ли плавание червей аналогом физической тренировки млекопитающих на физиологическом уровне. У нас во время работы мускулатуры активизируется внутримышечный обмен веществ, который снабжает мышцы необходимой энергией (см. В усталости мышей оказались виноваты митохондрии, «Элементы», 14.12.2010). В ходе этого процесса в митохондриях, энергетических станциях клетки, в качестве побочного продукта выделяются активные формы кислорода (АФК) и происходит окислительный стресс. Было показано, что сходная ситуация наблюдается и у червей после тренировки: матрикс их митохондрий значительно более окислен по сравнению с контрольными животными, ситуация приходит в норму только через час после эксперимента.

Помимо этого, в результате тренировки изменяется активность транскрипции генов, кодирующих антиоксидантные ферменты, необходимые для нейтрализации АФК. Так, из пяти имеющихся у исследуемого вида генов супероксиддисмутаз (SOD) активность транскрипции двух временно повышалась после тренировки (sod-4 и sod-5), активность транскрипции гена sod-3 наоборот, снижалась, транскрипция еще двух генов не изменилась (sod-1 и sod-2). Снижение активности транскрипции sod-3, по мнению авторов, связано с необходимостью адаптации мышц к физической нагрузке: они начинают реагировать на повышение уровня супероксида в митохондриях и затем запускать работу супероксиддисмутаз.

Кроме того, исследователи проверили активность транскрипции двух генов, продукты которых участвуют в антиоксидантной активности глутатиона: тот из них, который в основном работает в глотке и кишечнике (gcs-1) не продемонстрировал никаких изменений, зато активность транскрипции работающего в мускулатуре gst-4 значительно возросла. Также повышенная экспрессия после тренировки наблюдается и у некоторых генов белков теплового шока, которые, как было показано для C. elegans, также участвуют в ответе на окислительный стресс.

Все вышеперечисленные изменения в транскрипционной активности генов не наблюдались при помещении в буферный раствор мутантных парализованных животных, то есть определялись именно самим плаванием, а не какими-либо другими условиями эксперимента. Исследователи показали также, что животные после тренировки лучше нетренированных собратьев переживают обработку смертельным для них юглоном, продуцирующим большое количество АФК. Об этом судили по доле выживших особей (рис. 3, а). Черви из линий с мутациями в генах sod-3 и sod-5 демонстрировали такую же выживаемость, как и дикий тип. А вот мутанты sod-4, хоть и выживали после тренировки несколько лучше, чем их контрольные собратья, но все же в целом их выживаемость была значительно ниже, чем у дикого типа (рис. 3, b). Таким образом, именно sod-4 из всех изменяющих активность транскрипции генов SOD дает наибольший вклад в защиту от окислительного стресса часы спустя тренировки.

Рис. 3. Рост выживаемости тренированных червей по сравнению с контрольными через 4 часа после окончания тренировки. а — процент выживших червей дикого типа при обработке юглоном в концентрации 3 ммоль/литр через 4 часа после эксперимента; b — средний рост выживаемости тренированных червей по сравнению с контрольными в разных генетических линиях. Звездочки указывают значимость как на рис. 2. Рисунок из обсуждаемой статьи в BMC Biology

А является ли данный тип тренировки для червей стрессом? Оказалось, что целый ряд генов белков стресса никак не изменяют своей активности в ответ на полуторачасовое плавание червя, но два гена повышают экспрессию в ответ на любые манипуляции экспериментаторов. Только один ген включается строго в процессе тренировки червя. Это все позволяет утверждать, что тренировка водными процедурами не вызывает у червей общей стрессовой реакции.

Также ученые задались вопросом, какие вещества являются основными источником энергии для мускулатуры червя во время тренировки: углеводы или жиры. Во-первых, выяснилось, что все исследованные гены, кодирующие ферменты, участвующие в расщеплении, синтезе и транспорте глюкозы, снижают свою активность в течение тренировки и после нее. Во-вторых, выяснилось, что гены, продукты которых работают в мышцах и необходимы для расщепления жиров (и окисления их продуктов) в значительной степени активируются во время тренировки. Их аналоги, работающие в других тканях, либо не меняют своей активности, либо несколько ее снижают. А гены, ответственные за синтез жирных кислот, после плавания имеют значительно сниженную транскрипционную активность. Выходит, что во время интенсивной тренировки у червя C. elegans метаболизм глюкозы снижается, интенсифицируется расщепление жиров в мышечной ткани и замедляется их синтез. Любопытно, что повышается активность некоторых генов, продукты которых, судя по всему, изолируют жирные кислоты во время тренировки во избежание начала синтеза жиров.

Подсчет и сравнение количества жировых капель, а именно в таком виде запасаются жиры у исследуемого вида, показал, что у тренированных червей в мышечной ткани после эксперимента остается значительно меньше жировых капель по сравнению с контрольной группой. При этом значимых отличий в других тканях не наблюдается. Уже через час после окончания тренировки восстанавливается нормальное количество жировых капель в мускулатуре.

Вот так организм червя и адаптируется к условиям тренировки. Замечательно то, что и у нас именно жиры, запасенные в мышечной ткани, являются основными источниками энергии во время тренировок. Кроме того, все ключевые моменты, относящиеся к окислительному стрессу и регуляции метаболизма, очень напоминают то, что нам известно о реакции млекопитающих на физические нагрузки. И можно надеяться, что эти исследования будут продолжены, и вскоре мы узнаем больше о наших собственных тренировках и их последствиях, на этот раз долговременных.

Источник: Ricardo Laranjeiro, Grish Harinath, Daniel Burke, Bart P. Braeckman, Monica Driscoll. Single swim sessions in C. elegans induce key features of mammalian exercise. BMC biology. 2017. DOI: 10.1186/s12915-017-0368-4.

Алена Сухопутова