Лошади неутомимы, потому что пропускают стоп-кодон

Активность NRF2 — основного регулятора антиоксидантных генов — в норме сдерживается белком KEAP1. Исследователи из США обнаружили в белке KEAP1 у лошадей замену R15C, причем цистеин кодируется стоп-кодоном, который в данном случае не обрывает синтез белка. В результате KEAP1 не так сильно подавляет активность NRF2, так что уровень экспрессии антиоксидантных генов у лошадей выше и в норме, и особенно — при окислительном стрессе. Клетки лошадей менее подвержены такому стрессу, а их митохондрии активнее вырабатывают энергию, что может объяснить примечательные физические способности лошадей.

Лошади (Equus caballus) оказали огромное влияние на человеческую цивилизацию. Они отличаются высокими скоростью и выносливостью благодаря ряду физиологических адаптаций. Так, максимальное потребление кислорода на единицу массы более чем вдвое выше у лошади, чем у человека-спортсмена. Энергетический метаболизм лошади выше, чем можно было ожидать, основываясь на ее массе, что может быть связано с огромным количеством митохондрий в ее мышцах по сравнению с другими видами (исключение — колибри). Мышцы занимают более 50% их массы тела, а объем митохондрий, по оценкам, превышает 20 литров. Все это позволяет лошадям демонстрировать прекрасные физические способности.

Метаболические адаптации лошадей — продукт как эволюции, так и селекции после одомашнивания. Предки лошадей были размером с собаку, ученые отследили появление современных видов в течение миллионов лет, а в последние годы идентифицировали гены, связанные с размерами, поведением и строением скелета представителей рода Equus. Но до сих пор неясно, какие молекулярные механизмы позволяют лошадям удовлетворять их высокие энергетические потребности. В этом вопросе разобрались исследователи из США.

У лошадей и других позвоночных в ответ на напряжение мышц активируется выработка активных форм кислорода (АФК). Если антиоксидантные ферментные системы не справятся с ними, то АФК могут повредить ткани в результате окислительного стресса. Причем митохондрии — не единственный источник АФК в клетке. Обычно окислительные стресс и пути его преодоления изучают на птицах. Авторы ранее идентифицировали мутации, специфические для птиц, которые повышают экспрессию антиоксидантных генов и снижают нагрузку АФК. Эти мутации повышают активность NRF2, который регулирует окислительно-восстановительный гомеостаз в клетках и тканях позвоночных при физической нагрузке.

KEAP1 — основной негативный регулятор NRF2 и «сенсор» оксидантов, активирующий NRF2 и экспрессию антиоксидантных генов при окислительном стрессе. В обычных условиях KEAP1 связывает NRF2 и способствует его убиквитинированию через связывание с Cul3, что ведет к его деградации. При окислительном стрессе цистеины в составе KEAP1 модифицируются, в результате NRF2 стабилизируется, перемещается в ядро и активирует защитные программы. Примечательно, что связь KEAP1-Cul3 стала слабее у наземных позвоночных, чтобы было легче противостоять воздействию ультрафиолета. Авторы предположили, что у лошадей, как и у птиц, появились изменения в системе NRF2/KEAP1.

Действительно, исследователи обнаружили в гене KEAP1 лошадей новый стоп-кодон TGA. По-видимому, у последнего общего предка лошадей и носорогов в том месте был кодон CGA (R). Нонсенс-мутация R15X была обнаружена у всех представителей рода Equus, включая лошадей, зебр и ослов. Мутация могла возникнуть и 55 млн лет назад, после отделения от носорогов, и 4–4,5 млн лет назад, с появлением лошадиных.

Авторы не нашли в 3'-нетранслируемой области гена KEAP1 мотива SECIS, который отвечает за включение в состав белка селеноцистеина и цистеина вместо стоп-кодона. Однако эксперименты подтвердили, что белок KEAP1 у лошадей функционален и контролирует уровень NRF2 in vitro и in vivo. В 15-м положении белка KEAP1 у них находится цистеин, несмотря на отсутствие мотива SECIS. То есть авторы выявили новый случай перекодирования UGA у позвоночных.

В белках eEFSEC и SBP2, ассоциированных с рибосомами и участвующих в перекодировании стоп-кодона UGA, авторы нашли специфичные для рода Equus замены. Изучение вторичной структуры РНК показало, что 3'-нетранслируемая область гена KEAP1 у лошадей имела более выраженную петлю, чем у человека, и это могло усилить связывание с SBP2. К тому же белок SBP2 лошадей примерно в три раза более активный, чем у человека.

Ранее было показано, что сайт 15 ассоциирован с цистеином в положении 151 (C151) — основным «сенсором» KEAP1. Замена R15C влияет на эту связь. В результате нормальный уровень экспрессии антиоксидантных генов у лошадей выше, хоть и незначительно. KEAP1 с заменой R15C слабее подавляет активность NRF2, а в ответ на окислительный стресс NRF2 активируется сильнее. В результате клетки лошади менее подвержены окислительному стрессу.

Повышенная активность NRF2 не только защищала клетки от окислительного стресса, но и увеличивала выработку энергии митохондиями. Так что мутации в гене KEAP1 и генах, связанных с перекодированием стоп-кодона TGA, сыграли важную роль в эволюции лошадей, считают авторы.

Первый месяц жизни жеребенка влияет на его спортивные результаты