Hibernación y salud

La Universidad de Alaska Fairbanks (UAF) es un semillero de investigación ártica. Una rama particular de estudio se refiere a roedores adorablemente rotundos llamados ardillas de tierra árticas (Urocitellus parryii). Como casi todas las ardillas terrestres, las ardillas terrestres árticas hibernan para sobrevivir períodos de escasez de recursos. Esta adaptación única se caracteriza por un período prolongado de inactividad, baja temperatura corporal y disminución del metabolismo.

Históricamente, los investigadores de la UAF se han centrado en determinar los parámetros generales de hibernación (p. Ej., Cuando las ardillas terrestres del Ártico entran y salen de la hibernación , extremos en la temperatura corporal interna y la actividad reproductiva primaveral). Hoy, los investigadores están descubriendo cómo los cambios hormonales en el cerebro y las gónadas durante la hibernación pueden indicar el inicio anual de la maduración reproductiva (¡los machos atraviesan la pubertad cada primavera!).

El conocimiento obtenido de los estudios de hibernación también puede respaldar la salud humana al ampliar nuestra comprensión de, por ejemplo, la recuperación de un paro cardíaco y cómo mantener saludables a los astronautas durante los viajes espaciales prolongados.

Uniendo la hibernación y los telómeros

Junto a la investigación sobre los ciclos hormonales anuales de las ardillas terrestres árticas se encuentra mi propio trabajo de tesis: usar ardillas terrestres árticas como un nuevo modelo para investigar cómo cambia la longitud de los telómeros de una manera específica de tejido. “ Telómero”Es una palabra de moda. Cuando menciono mi trabajo a los no científicos, muchos han oído hablar del término, saben que de alguna manera está relacionado con la salud y el envejecimiento, y tienen una idea general de que los telómeros cortos no son ideales.

Permítanme brindarles un poco más de antecedentes sobre qué son los telómeros, cómo se acortan y alargan, y cómo la longitud de los telómeros podría usarse como un biomarcador para la salud. Después de la introducción de los telómeros, describiré por qué observar los telómeros en un hibernador es el siguiente paso lógico para comprender cómo cambian los telómeros. in vivo (dentro de un organismo vivo).

ADN y su tapón especial

Para apreciar completamente los telómeros, es útil tener un recordatorio de la estructura básica del ADN .

El ADN es la molécula que codifica las proteínas responsables de casi todas las reacciones celulares en los organismos vivos, incluido su cuerpo. El ADN está formado por dos cadenas de bases de nucleótidos, cada base compuesta por uno de cuatro ácidos nucleicos (T = timina, A = adenina, G = guanina y C = citosina) y un esqueleto de azúcar-fosfato. Cada base de nucleótidos se empareja con su complemento (T con A y G con C) para formar una doble hélice estable (ver más abajo). Estas hélices están organizadas en cromosomas, de los cuales los humanos tenemos 23 pares.

Telomeres, the end caps of a chromosome, are related to aging and genetic protection of the chromosomes.

Los telómeros, las tapas terminales de un cromosoma, están relacionados con el envejecimiento y la protección genética de los cromosomas.

Los telómeros son las secuencias terminales que cubren ambos extremos de cada uno de nuestros cromosomas. En los seres humanos, como en todos los vertebrados, la La secuencia de los telómeros es TTAGGG y se repite entre 300 y 8.000 veces.. Los telómeros sirven para mantener la integridad de los cromosomas a través de dos mecanismos: “Ocultar” el extremo del cromosoma de las proteínas reparadoras del ADN (que, si no se controla, uniría los extremos de los cromosomas) y actuaría como un amortiguador para evitar la descomposición del ADN codificante (que se traduce en proteínas). Es bien sabido que los telómeros se erosionan con el tiempo debido a una incapacidad para replicar completamente los extremos de los telómeros durante la división celular. Por lo tanto, a medida que un organismo envejece, sus telómeros disminuyen de longitud .

Otro mecanismo de acortamiento de los telómeros.

El estrés oxidativo también puede acortar los telómeros a través de roturas de una sola hebra.. Es posible que haya oído hablar antes del estrés oxidativo, quizás en relación con una inflamación o una enfermedad. El estrés oxidativo es un estado de daño oxidativo no controlado, inducido en parte por la actividad mitocondrial y / o un bajo aporte de antioxidantes. Como proveedores de energía de nuestras células, las mitocondrias producen especies reactivas de oxígeno (ROS) como subproducto natural. Estas moléculas altamente inestables pueden unirse a los ácidos nucleicos (particularmente la guanina, en la que los telómeros son ricos) e impactar su estructura.

Aunque se ha demostrado que los telómeros se acortan in vitro (en un cultivo celular, piense en una placa de Petri) debido al estrés oxidativo, no está claro cómo el estrés oxidativo afecta a los telómeros in vivo .. La mayor parte de lo que sabemos sobre la dinámica de los telómeros en los sistemas vivos proviene de estudios en humanos y en animales de laboratorio comunes (ratones y ratas). Es necesario cuantificar cómo cambia la longitud de los telómeros con el tiempo en modelos animales no tradicionales, y ahí es donde mi investigación juega un papel importante.

¿Qué sucede durante la hibernación?

Los hibernadores como las ardillas terrestres árticas son perfectamente adecuados para estudios de la dinámica de los telómeros in vivo ya que pueden ayudarnos a diferenciar cómo cambian los telómeros de una manera específica de tejido. Cuando se encuentran en sus madrigueras, los hibernadores sufren fluctuaciones dramáticas en la temperatura corporal, desde el extremo más bajo de -2,9 ° C (26,8 ° F) en las ardillas terrestres árticas a una temperatura normal de 34 ° C (93 ° F). El aumento de temperaturas corporales frías (tórpidas) a cálidas (excitadas) ocurre una docena de veces durante la hibernación, y cada ciclo de excitación dura aproximadamente 40 horas .

Patrones de temperatura corporal (línea continua) y temperatura ambiente (línea discontinua) en una ardilla de tierra ártica de vida libre cerca de Toolik Lake, Alaska. Reproducido con permiso del Journal of Experimental Biology. Williams y col. 2011 .

Alimentando estos ciclos de excitación se encuentra el tejido adiposo marrón (BAT), un órgano que se menciona comúnmente en la investigación de la obesidad (por ejemplo, ver Leitner et al.2017). BAT es rico en mitocondrias, los orgánulos celulares que producen trifosfato de adenosina (ATP). El ATP se considera la molécula de moneda de energía del cuerpo. Se descompone para permitir la contracción muscular, el transporte de iones y moléculas a través de las membranas celulares y la producción de moléculas para apoyar el crecimiento y la reproducción.

¿Cómo calienta la grasa marrón a un hibernador?

En tejidos distintos del tejido adiposo pardo, la función principal de las mitocondrias es producir ATP a través de la cadena de transporte de electrones con calor como subproducto. Por el contrario, las mitocondrias BAT contienen una proteína llamada UCP1 (proteína de desacoplamiento 1), que puede detener la producción de ATP y aumentar la cantidad de subproducto de calor (ver Brondani et al. 2012 ).

Brown fat cell rich in mitochondria and having lipid droplets scattered throughout. Credit: Manu5, via Wikimedia.
Célula de grasa parda rica en mitocondrias y con gotitas de lípidos esparcidas por todas partes. Crédito: Manu5, a través de Wikimedia.

La grasa marrón se acumula en los bolsillos que rodean el corazón y el tronco cerebral de las ardillas terrestres árticas. Estos depósitos de grasa, que se reponen cada otoño, se consumen durante la hibernación para calentar al animal durante los episodios de excitación, un proceso conocido como termogénesis sin escalofríos. Tan eficaz como BAT para calentar al animal, tiene un precio: un lanzamiento espectacular de ROS acompaña a la actividad de UCP1 en BAT. Como se mencionó anteriormente, las ROS interfieren con los ácidos nucleicos y se sabe que acortan los telómeros in vitro .

Después de todo eso: una linda foto de ardilla. Además, ¿qué nos pueden decir los telómeros?

Una ardilla de tierra ártica emergió recientemente en la primavera de 2013, North Slope, Alaska. Derechos de autor de la fotografía Øivind Tøien, Instituto de Biología Ártica.

A menudo, el descubrimiento científico está impulsado por el beneficio potencial que obtendrán los humanos. ¿Puede la investigación de los telómeros en hibernadores apoyar la salud y la longevidad humanas?

En un mundo más simple que el nuestro, los telómeros funcionarían así: una persona vive tanto tiempo, participa en x cantidad de actividades no saludables y y cantidad de sanos, se le extrae sangre, se miden los telómeros y el médico le dice a la persona qué tan saludable está y cuánto tiempo puede esperar vivir. En realidad, es mucho más complejo.

La investigación actual sugiere que la longitud de los telómeros es un marcador correlativo útil para la salud, pero debe usarse junto con otros marcadores para generar un diagnóstico de salud más completo. Me gusta esta idea, que la longitud de los telómeros es solo una parte de un sistema increíblemente complicado – el cuerpo humano – que es muy específico del individuo. Y para comprender mejor el papel de los telómeros en afectar o medir nuestra salud, creo que los estudios de telómeros centrados en hibernadores respaldan una comprensión más precisa y matizada de cómo funcionan estas secuencias especiales y su utilidad como biomarcadores de salud.