https://frosthead.com

Hvordan fruktfluer holder seg unge i hjertet

Hjertet er en fantastisk arbeidshest av et organ. Med hvert minutt som går, kaster det menneskelige hjertet ut over en gallon blod som brensler resten av kroppen med oksygen og næringsstoffer. I en gjennomsnittlig persons levetid vil hjertet slå mer enn tre milliarder ganger og pumpe nok blod til å fylle noen 1200 bassenger i olympisk størrelse.

Etter år med hard jobbing har musklene imidlertid en slitasje. Som en overdreven elastikk mister hjertet til slutt sin motstandskraft, og øker risikoen for hjertesvikt jevnlig.

I dag rapporterer forskere fra University of California, San Diego at fruktfluer konstruert for å opprettholde høye nivåer av et hjerteomdannende protein, har en mye lengre levetid. Resultatene deres er de første som binder strukturelle modifikasjoner i muskelvev til metabolske konsekvenser som til slutt påvirker levetiden.

Mens hjerteceller ikke har den regenererende kapasiteten til andre organer som leveren, leveres hjertet med et omfattende reparasjonssett. Et menneskelig hjerte kan lade på i flere tiår utover forventet garanti, og bruker en mengde sikkerhetskopimetoder for å pusse opp og ominnrede gamle strukturer, selv når celler begynner å miste formen. Når et hjertes strukturelle integritet er kompromittert, sveiper en serie proteiner raskt inn for å reparere sprekkene i fundamentet.

Et av de kraftigste verktøyene som er til rådighet for hjertet er vinculin - et protein som ligner på superlimet til celler. Som celler i veggene i hjertealderen, begynner de å flasse bort fra hverandre og dø, noe som gjør det vanskeligere for hjertet å utføre hver rytmisk klem. Vinculin forankrer celler til hverandre og i den omkringliggende matrisen som gjør at hjertet kan kommunisere med omgivelsene utenfor. Dette proteinet blir stadig mer nødvendig etter flere tiår med stress på muskelen, og produksjonen øker i hjertet med alderen, slik at celler kan lappe rift i alderen vev. Både gnagere og humane pasienter med ødelagte kopier av vinculingenet har en særlig høy risiko for hjertesvikt senere i livet.

Til syvende og sist går imidlertid remodelleringen bare så langt: Hos noen overvelder tilstanden for dispergering til og med vinculins oppussende kraft, og hjertet kan svikte. Og når den globale gjennomsnittlige levealderen øker, gjør det også bekymringer for hjertekomplikasjoner hos eldre. I 2030 vil en fjerdedel av amerikanere være over 65 år. For å fortsette å forhindre utbruddet av hjertesykdom hos en eldre generasjon, må utviklingen av teknologi akselerere for å holde tritt med den menneskelige befolkningen.

For å studere skjæringspunktet mellom hjertefunksjon og levetid, bestemte bioingeniører Ayla Sessions og Adam Engler å utnytte verktøyene evolusjonen allerede har gitt ved å presse hjertets helbredelsesevne til sine grenser.

For tre år siden demonstrerte seniorforfatter Adam Englers gruppe viktigheten av vinculin i å holde dyrehjerter pumpende i alderdommen. Etter å ha vist at de aldre hjertene til mus og primater som ikke er menneskelige, produserer mer vinculin, lurte de på konsekvensene av å rampe opp vinculin eller fjerne det helt.

For å omgå de kostbare og tidkrevende fallgruvene med genetisk manipulerende gnagere eller aper, modellerte forskerne sine eksperimenter i fruktfluer. Med en levetid på litt over en måned kan disse insektene gå fra ung til geriatrisk i løpet av noen uker. Og mens vi har en tendens til å se insekter som fremmede skadedyr, har mennesker og fluer faktisk mye til felles. Flyveorganer med frukt har en overraskende mengde strukturell likhet med pattedyr som mus og primater, og mer enn 80 prosent av genene som inneholder instruksjonene for å bygge et fluehjerte, speiles i mennesker.

"Fruktfluehjerter er strukturelt lik menneskelige celler, " forklarer Engler. “Men fysiologien deres er så enkel. Det gjør dem ideelle til å studere. ”

Og, akkurat som hos mennesker, har hjertene til gamle fluer en tendens til å mislykkes.

I sitt opprinnelige arbeid avlet Engler og teamet en fluestamme for å sparke produksjonen av vinculin til overdrive i hjertet. Som forventet forble hjerter forsterket med mer vinculin sterke selv når fluene eldes, og etterlignet pumpeeffektiviteten til sunt vev.

Til Englers overraskelse skapte også ekstra vinculin i hjertet “superflies” med bemerkelsesverdig forbedret levetid, noen ganger mer enn dobling av levetiden på flua. Men selv om dette støttet ideen om at vinculin var avgjørende for en tune-up av hjertevev, forsto ikke forskerne hvordan eller hvorfor dette hjalp fluene å leve lenger.

I et forsøk på å løse mysteriet overvåket hovedforfatter Ayla Sessions helsen og levetiden til den samme stammen av superfluer fra flere forskjellige vinkler. Nok en gang overlev superfluene sine vanlige jevnaldrende - men Sessions fant i tillegg ut at de også utviste overlegen atletisk evne, ved å bruke sine nyvunne krefter til å snuble over gulv og skalere betydelige vegger.

I likhet med menneskelige idrettsutøvere, var superfluene mer effektive til å bruke oksygen og sukker for å styrke deres bevegelser. Da Sessions matte fluene med en merket form for glukose, så hun at sukker fra fluenes kosthold ble ført inn i hypereffektive stier som kvernet ut ekstra drivstoff til celler. Faktisk så disse superflyene skumle ut som langvarige fluer fra tidligere verk fra andre grupper - bortsett fra at fluene hadde gjennomgått livsstilsendringer (som kaloribegrensning), ikke genetiske. På en eller annen måte, selv om vinculins ekstra strukturelle lim bare ble henvist til en spesifikk del av kroppen, fikk denne endringen robuste og vidtrekkende konsekvenser for den generelle helsen.

"Av millioner av celler [i flue], bare 102 celler [i hjertet] ender opp med å skape denne systemiske effekten, " sier Engler. "Og det var ganske overraskende for oss."

Dette er første gang forskere kobler endringer i cellens mekanikk til stoffskifte, og kan gi innsikt i hvordan det å ha et sterkt hjerte opprettholder en sunn metabolisme. Sessions og Engler teoretiserer at den økte styrken til superflyhjertet er det som gjør hele forskjellen. Med mer vinculin for å pakke dem sammen, trenger cellene til og med et eldre hjerte mindre drivstoff for å trekke seg sammen effektivt - noe som betyr at hjertet som helhet er flinkere til å bruke energi. Dette frigjør ikke bare sukker for andre vev, men utstyrer også hjertet til å bedre distribuere det drivstoffet til resten av kroppen. Og voila: superfly utholdenhet.

"[Det er bra å] fokusere på å leve lenger, men hvis livskvaliteten er dårlig, er det ingen fordel med det, " sier Sessions. "Ikke bare øker vi levetiden, men vi øker stoffskiftet og energiforbruket senere i livet."

Fordi profilene til vinculinproduserende fluer så nært ligner de av, for eksempel, kaloribegrensede fluer, føler Engler at dette arbeidet sterkt bekrefter funnene fra andre lang levetidsstudier. "Du finjusterer de samme banene, bare gjennom forskjellige mekanismer - men de oppnår de samme målene, " forklarer han.

"Å ignorere sirkulasjonssystemets rolle i stoffskiftet er litt ensidig, " legger Sessions til. "Metabolisme og hjertefunksjon går hånd i hånd."

I det fremtidige arbeidet har Englers team planer om å fortsette å utpeke koblingene mellom vevsstruktur og stoffskifte, og være oppmerksom på det faktum at denne informasjonen en dag kan bidra til syntese av langvarigfremmende medikamenter - noen av dem kan til og med målrette proteiner som vinculin.

Kristine DeLeon-Pennell, professor i kardiovaskulære vitenskaper ved Medical University of South Carolina som ikke var tilknyttet studien, berømmer arbeidet for å åpne nye dører i fremtidige kliniske sammenhenger. "Med metabolske syndromer som øker hos hjertepasienter, er det veldig interessant at vinculin kan være en kobling til det vi faktisk ser på klinikken, " sier hun og legger til at dette kan utstyre leger til bedre å overvåke eldre pasienter med lave nivåer av vinculin.

Men Engler advarer om at det fremdeles må gjøres mye arbeid: Vi er langt fra å utnytte vinculin i hjertene til mennesker. "Vi prøver ikke å antyde at det er en pille du kan ta, eller at du må begynne å endre kostholdet ditt slik at du opprettholder stoffskiftet i lengre tid, " forklarer han. "Og det er absolutt ikke ungdommens fontene."

DeLeon-Pennell understreker også at arbeidet bør bekreftes i mer komplekse organismer som pattedyr før forskningen kan gå videre.

Foreløpig er det fortsatt gode nyheter: Fluer kan avles for å leve lenger.

Den dårlige nyheten? Fluer kan avles for å leve lenger.

Hvordan fruktfluer holder seg unge i hjertet