Forscher der University of Guelph beginnen jetzt zu verstehen, warum das so ist, und haben in einer neuen Studie, die in Scientific Reports veröffentlicht wurde, herausgefunden, wie Alligatorenherzen von den schwierigen Bedingungen im Ei profitieren.
Es handelt sich um Grundlagenforschung, die auch dem Menschen zugute kommen könnte.
Alligatoren, wie viele Echsen und Schildkröten, beginnen ihr Leben als Eier, die in tiefen Nestern vergraben sind, wobei die am tiefsten vergrabenen Eier die geringste Menge an Sauerstoff erhalten.
„Geringer Sauerstoff in diesem frühen Lebensstadium beeinträchtigt normale Wachstums- und Entwicklungsprozesse, insbesondere im Herzen. Bei plazentalen Säugetieren wie uns sind diese Veränderungen negativ und dauern bis ins Erwachsenenalter an. Aber bei Alligatoren sehen wir etwas anderes: Diejenigen, die im Nest am wenigsten Sauerstoff haben, können sogar gedeihen“, sagte Sarah Alderman, eine außerordentliche Professorin am Department of Integrative Biology der U of G, die die Studie leitete.
Die Alligatoren, die sich unter sauerstoffarmen Bedingungen – oder Hypoxie – entwickeln, verlassen das Nest mit Herzen, die größer und stärker sind als die ihrer Geschwister, die als Embryos Zugang zu mehr Luft hatten. Ihre Herzen sind auch bei Anstrengung leistungsfähiger, was ihnen helfen könnte, länger die Luft anzuhalten oder eine Verfolgungsjagd zu überstehen.
Alderman und ihre Mitarbeiter wollten verstehen, welche Veränderungen auftreten, die diese stärkeren, leistungsfähigeren Herzen schaffen. Also machten sie sich daran, herauszufinden, welche Proteinunterschiede das hypoxische Alligatorenherz kennzeichnen.
Ein Team des Rockefeller Wildlife Refuge in Louisiana entnahm Alligatoreneier aus den Feuchtgebieten des Refugiums und schickte sie an Kollegen der University of North Texas. Dort wurden einige der Eier in Brutkästen mit Hypoxie gehalten, während der Rest in Brutkästen mit normalem Sauerstoffgehalt aufgezogen wurde.
Das Team der U of G erhielt Proben der Alligatorherzen und analysierte mit finanzieller Unterstützung des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) die Proteine in diesen Herzen mit einer Methode, die als „Shotgun Proteomics“ bekannt ist.“
Sie fanden Anzeichen dafür, dass der niedrige Sauerstoffgehalt im Ei zu einer Verschiebung der Häufigkeit bestimmter Schlüsselmoleküle führte, die das Herz für die Herstellung von Herzproteinen, für die Integration dieser Proteine in die Zellen und für den schnellen Abbau und das Recycling beschädigter Proteine benötigt.
„Im Wesentlichen haben diese Alligatoren die Maschinerie, die sie für diese Prozesse benötigen, hochgefahren“, sagte Alderman.
Die meisten der Veränderungen, die sie in den Herzen der Embryonen fanden, waren auch noch zwei Jahre später in den Herzen junger Alligatoren zu sehen, die ebenfalls in Hypoxie aufgezogen wurden.
Außerdem stellte Alderman fest, dass die hypoxischen Herzen mehr Proteine aufwiesen, die am Abbau von Lipiden oder Fetten beteiligt sind, die für die Energiegewinnung benötigt werden.
„Herzen sind am effizientesten, wenn sie Fette zur Energiegewinnung verbrennen“, sagte Alderman und wies darauf hin, dass die Herzen von Sportlern dies besonders gut können. „
Die Tatsache, dass Alligatorherzen von Embryonen, die in Hypoxie aufgewachsen sind, eine gesteigerte Fähigkeit zur Nutzung von Lipiden zur Energiegewinnung im späteren Leben entwickeln, könnte der Schlüssel dafür sein, warum Hypoxie für sie nicht so schädlich ist, wie es für ein sich entwickelndes menschliches Herz der Fall wäre.
Das texanische Team konnte die Alligatoren zwar nur bis zu einem Alter von zwei Jahren untersuchen – „danach wird es ein wenig gefährlich, Alligatoren in einem Labor zu halten“, so Alderman -, aber alles deutet darauf hin, dass diese Veränderungen der Proteinexpression im Herzen dauerhaft sind.
Prof. Todd Gillis, Professor in der Abteilung für Integrative Biologie, sagt, dass diese Forschung zeigt, wie wichtig die Umweltbedingungen während der Embryonalentwicklung für die spätere Gesundheit des Erwachsenen sind.
„Es ist klar, dass Stressoren, die in diesem frühen Stadium auftreten, langfristige Folgen haben, weil sie, wie wir hier sehen, die Biologie des Tieres verändern“, sagte er.
Gillis, der ein Gründungsmitglied des Zentrums für kardiovaskuläre Untersuchungen der U of G ist, sagt, dass der nächste Schritt darin besteht, herauszufinden, was diese wichtigen Veränderungen in der Proteinexpression auslöst. Wenn das herausgefunden werden kann, eröffnet sich eine Möglichkeit, die Ergebnisse auf Menschen mit geschwächten Herzen anzuwenden, so Gillis.
„Wenn man einen Weg finden könnte, diese Signalwege zu aktivieren und dann aufrechtzuerhalten, könnte das ein Weg sein, die Herzfunktion zu verbessern und das Herz gesund zu halten.“
Das Forschungsteam hat kürzlich von der National Science Foundation in den USA Mittel erhalten, um diese Arbeit fortzusetzen. Alderman freut sich auf die nächste Phase der Forschung und stellt fest, dass Alligatoren faszinierend zu studieren sind.
„Alligatoren leben schon viel länger auf diesem Planeten als Menschen, und sie haben sich in dieser Zeit nicht sehr verändert – was auch immer ihre Herzen tun, sie tun es also wirklich gut.“