Πόσο διαφέρει η λειτουργία της καρδιάς στους ανθρώπους από τα πρωτεύοντα θηλαστικά

Οι καρδιές των ανθρώπων και των πρωτευόντων θηλαστικών διαφέρουν γενετικά.

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τους Norbert Hübner και Sebastian Diecke στο Κέντρο "Max Delbrück" το κατέδειξε αυτό σε σχετική μελέτη.

Η μελέτη που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση "Nature Cardiovascular Research" παρέχει νέες γνώσεις σχετικά με την εξελικτική προσαρμογή και τις καρδιακές παθήσεις.

Το γενετικό υλικό των ανθρώπων και των χιμπατζήδων είναι κατά 98 έως 99% το ίδιο. Γιατί λοιπόν διαφέρουμε;

Οι ερευνητές έχουν δείξει τα τελευταία χρόνια ότι η γονιδιακή έκφραση - δηλαδή το πότε, πού και πόσο έντονα μεταγράφονται τα γονίδια - ευθύνεται σε μεγάλο βαθμό για τη διαφορετική μας εξέλιξη κατά τη διάρκεια της εξέλιξης.

Οι επιστήμονες της ερευνητικής ομάδας "Γενετική και γονιδιωματική των καρδιαγγειακών παθήσεων" του καθηγητή Norbert Hübner και της τεχνολογικής πλατφόρμας "Πολυδύναμα βλαστικά κύτταρα" με επικεφαλής τον δρα Sebastian Diecke στο Κέντρο Max Delbrück ανακάλυψαν τώρα πόσο εκπληκτικά διαφορετική είναι η γονιδιακή έκφραση στις καρδιές των ανθρώπων και άλλων πρωτευόντων.

Η μελέτη στο περιοδικό "Nature Cardiovascular Research" παρέχει πληροφορίες σχετικά με τους προσαρμοστικούς μηχανισμούς που ρυθμίζουν τα γονίδια που διακρίνουν την καρδιά μας από εκείνες των πλησιέστερων εξελικτικών συγγενών μας. Δείχνει επίσης ότι τα ερευνητικά αποτελέσματα που έχουν ληφθεί σε καρδιές ζώων δεν μπορούν εύκολα να μεταφερθούν στις ανθρώπινες καρδιές.

"Μας εξέπληξε ιδιαίτερα το πόσο διαφέρει η ρύθμιση των γονιδίων στην ανθρώπινη καρδιά από εκείνη των άλλων πρωτευόντων θηλαστικών", λέει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Dr Jorge Ruiz-Orera. Ανατομικά, οι καρδιές των περισσότερων θηλαστικών είναι παρόμοιες. "Αλλά έχουμε υποστεί πολλές μοναδικές εξελικτικές καινοτομίες όσον αφορά τη γονιδιακή ρύθμιση ή τη μετάφραση σε πρωτεΐνες", προσθέτει.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν εκατοντάδες γονίδια και μικροπρωτεΐνες - πρόκειται για μικροσκοπικές πρωτεΐνες που είχαν προηγουμένως εντοπιστεί στα ανθρώπινα όργανα, αλλά των οποίων η λειτουργία αποτελούσε σε μεγάλο βαθμό μυστήριο.

Αυτές οι μικροπρωτεΐνες είναι παρούσες στην ανθρώπινη καρδιά, αλλά απουσιάζουν από τις καρδιές άλλων πρωτευόντων θηλαστικών, αρουραίων ή ποντικών. "Πολλά από αυτά τα ανθρώπινα γονίδια και μικροπρωτεΐνες εκφράζονται επίσης ανώμαλα στην καρδιακή ανεπάρκεια. Αυτό υποδηλώνει ότι παίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία της καρδιάς και στις καρδιακές παθήσεις και αποτελούν πιθανούς στόχους για θεραπείες", εξηγεί ο Ruiz-Orera.

Σύγκριση της μεταγραφής και της μετάφρασης των γονιδίων

Η ομάδα ανέλυσε καρδιακό ιστό από χιμπαντζήδες και μακάκους από την ολλανδική βιοτράπεζα της δρος Ιβανέλα Κόντοβα στο Κέντρο Βιοϊατρικών Ερευνών για τα Πρωτεύοντα στο Rijswijk.

Επιπλέον, ανέλυσαν αποθηκευμένο καρδιακό ιστό από ανθρώπους, αρουραίους και ποντίκια, τον οποίο είχαν ήδη χρησιμοποιήσει σε προηγούμενες έρευνες.

Χρησιμοποιώντας αλληλούχιση RNA, οι ερευνητές χαρτογράφησαν και ποσοτικοποίησαν πρώτα τα μόρια RNA του καρδιακού ιστού. Αυτό παρείχε μια ολοκληρωμένη επισκόπηση της γονιδιακής έκφρασης σε διαφορετικά πρωτογενή είδη.

Για να προσδιορίσουν συγκεκριμένα τις περιοχές RNA που μεταφράζονται σε πρωτεΐνες, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το Ribo-seq, μια τεχνική προφίλ ριβοσώματος που αλληλουχεί τα τμήματα RNA που μεταφράστηκαν ενεργά σε κάθε κύτταρο. Αυτό παρείχε πληροφορίες σχετικά με το ποια γονίδια παράγουν λειτουργικές πρωτεΐνες.

Ενσωματώνοντας δεδομένα από αυτές τις τεχνολογίες, η ομάδα δημιούργησε την πιο ολοκληρωμένη πηγή μέχρι σήμερα σχετικά με τη δραστηριότητα γονιδίων και πρωτεϊνών στις καρδιές ανθρώπινων και μη ανθρώπινων πρωτευόντων.

Επιπλέον, η ομάδα χρησιμοποίησε κυτταροκαλλιέργειες από επαγόμενα πολυδύναμα βλαστικά κύτταρα (iPSC-CM) ως μοντέλο και παρατήρησε πώς μεταγράφονται τα γονίδια κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης της καρδιάς στον άνθρωπο και σε άλλα πρωτεύοντα.

Τα iPSC-CM είναι ένα χρήσιμο μοντέλο επειδή μπορούν να προέλθουν από δερματικά κύτταρα ενηλίκων πρωτευόντων που έχουν επαναπρογραμματιστεί σε μια καθ' όλα εμβρυϊκή κατάσταση.

Τα κύτταρα αυτά μετατρέπονται σε καρδιομυοκύτταρα ή καρδιακά μυϊκά κύτταρα, επιτρέποντας στους ερευνητές να τα μελετήσουν σε διάφορα στάδια ανάπτυξης.

Συγκεκριμένες μικροπρωτεΐνες - που κωδικοποιούνται από μικρά κομμάτια DNA που ονομάζονται ανοικτά πλαίσια ανάγνωσης (Open Reading Frames -ORF) παράγονται ή μεταφράζονται μοναδικά στα ανθρώπινα καρδιακά κύτταρα σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης.

"Αυτό υποδηλώνει ότι ορισμένα από αυτά τα γενετικά στοιχεία έχουν εξελιχθεί ώστε να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις της ανθρώπινης καρδιάς", εξηγεί ο Ruiz-Orera. (Τα ORFs δεν έχουν τα κλασικά χαρακτηριστικά των γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες και επομένως δεν ταξινομούνται ως γονίδια).

"Οι ενεργειακές απαιτήσεις της καρδιάς μας είναι διαφορετικές από εκείνες των μικρότερων πρωτευόντων θηλαστικών, όπως οι μακάκοι, που έχουν πολύ ταχύτερους καρδιακούς ρυθμούς", εξηγεί.

"Αυτή η διαφορά φαίνεται να αντανακλάται στη ρύθμιση των γονιδίων που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας στην καρδιά. Αυτές οι εξελικτικές προσαρμογές μπορεί επίσης να σχετίζονται με το όρθιο βάδισμα, τον τρόπο ζωής και τη διατροφή μας".

Η ομάδα εντόπισε συνολικά πάνω από 1.000 ειδικές για το είδος προσαρμογές στο γονιδίωμα, συμπεριλαμβανομένων 551 γονιδίων και 504 περιοχών κωδικοποίησης μικροπρωτεϊνών που είναι μοναδικές για την ανθρώπινη καρδιά.

Σε αυτά περιλαμβάνονταν 76 γονίδια που απαντούν στον άνθρωπο καθώς και σε άλλα πρωτεύοντα και θηλαστικά, αλλά έχουν εξελιχθεί ώστε να εκφράζονται στην καρδιά μόνο στο ανθρώπινο είδος.

Πηγές:
Deutsches Zentrum für Herz - Kreislauf Forschung