Nu beginnen onderzoekers van de Universiteit van Guelph te begrijpen waarom, door aan te wijzen hoe alligatorharten profiteren van moeilijke vroege omstandigheden in het ei, in een nieuwe studie gepubliceerd in Scientific Reports.
Het is fundamenteel onderzoek dat een aanzienlijk potentieel heeft om de mens ten goede te komen.
Alligators, zoals veel hagedissen en schildpadden, beginnen hun leven als eieren begraven in diepe nesten, waarbij degenen die het diepst begraven zijn de minste hoeveelheid zuurstof krijgen.
“Weinig zuurstof in dit vroege stadium van het leven beïnvloedt de normale groei en ontwikkelingsprocessen, vooral in het hart. Bij placentazoogdieren, zoals wij, zijn deze veranderingen negatief en duren tot in de volwassenheid. Maar bij alligators zien we iets anders: degenen met de minste zuurstof in het nest zouden eigenlijk kunnen gedijen,” zei Sarah Alderman, een adjunct-professor in U of G’s Department of Integrative Biology die de studie leidde.
De alligators die zich ontwikkelen onder lage zuurstofomstandigheden – of hypoxie – komen uit het nest met harten die groter en sterker zijn dan hun broers en zussen die toegang hadden tot meer lucht als embryo’s. Hun harten presteren ook beter tijdens inspanning, wat hen zou kunnen helpen langer hun adem in te houden of een achtervolging te doorstaan.
Wat Alderman en haar medewerkers wilden begrijpen was welke veranderingen optreden die deze sterkere, meer efficiënte harten creëren. Dus stelden ze zich ten doel om vast te stellen welke eiwitverschillen het hypoxische krokodillenhart markeren.
Een team van het Rockefeller Wildlife Refuge in Louisiana haalde alligator-eieren uit de wetlands van het toevluchtsoord en stuurde ze naar collega’s aan de Universiteit van Noord-Texas. Daar werden sommige van de eieren gehouden in broedmachines met hypoxie, terwijl de rest werd grootgebracht in broedmachines met normale zuurstofniveaus.
Het U of G-team ontving monsters van de alligatorharten en, met financiering van de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), analyseerde de eiwitten in deze harten met behulp van een methode die bekend staat als “shotgun proteomics.”
Ze vonden tekenen dat de lage zuurstof in het ei een verschuiving veroorzaakte in de overvloed van bepaalde sleutelmoleculen die het hart gebruikt voor het maken van hartproteïnen, voor het integreren van deze eiwitten in hun cellen, en voor het snel verwijderen en recyclen van eventuele beschadigde eiwitten.
“In wezen hebben deze alligators de machinerie opgevoerd die ze nodig hadden voor deze processen,” zei Alderman.
De meeste veranderingen die ze vonden in de embryoharten waren twee jaar later nog steeds duidelijk in de harten van jonge alligators die ook in hypoxie werden grootgebracht.
Ook ontdekte Alderman dat de hypoxische harten meer eiwitten hadden die betrokken zijn bij de afbraak van lipiden, of vetten, die nodig zijn voor energie.
“Harten zijn het meest efficiënt wanneer ze vetten verbranden voor energie,” zei Alderman, erop wijzend dat de harten van atleten hier bijzonder goed in zijn. “Maar bij mensen, wanneer het hart vordert in hartfalen, schakelt het over op het verbranden van suikers.”
Het feit dat alligatorharten van de embryo’s opgegroeid in hypoxie een verhoogd vermogen ontwikkelen om lipiden te gebruiken voor energie tot in het latere leven, zou de sleutel kunnen zijn tot de reden waarom hypoxie niet schadelijk voor hen is, zoals een soortgelijke toestand zou zijn geweest voor een zich ontwikkelend menselijk hart.
Hoewel het Texaanse team de alligators slechts kon bestuderen tot ze twee jaar oud waren — “Daarna wordt het een beetje gevaarlijk om alligators in een lab te houden,” merkte Alderman op — alles wijst erop dat deze veranderingen in eiwitexpressie in het hart blijvend zijn.
Prof. Todd Gillis, een professor in het Department of Integrative Biology, zegt dat dit onderzoek aantoont hoe belangrijk omgevingsomstandigheden tijdens de embryonale ontwikkeling zijn voor de latere gezondheid van de volwassene.
“Het is duidelijk dat stressfactoren die in dit vroege stadium optreden, gevolgen op lange termijn hebben omdat, zoals we hier zien, het de biologie van het dier verandert,” zei hij.
Gillis, die een stichtend lid is van U of G’s Centre for Cardiovascular Investigations, zegt dat de volgende stap is om te identificeren wat deze belangrijke veranderingen in eiwitexpressie teweegbrengt. Als dat kan worden geïdentificeerd, opent dat een manier om de bevindingen toe te passen op mensen met een verzwakt hart, zei Gillis.
“Als je een manier zou kunnen vinden om deze paden in te schakelen en dat vervolgens in stand te houden, zou dat een manier kunnen zijn om de hartfunctie te verbeteren en het hart gezond te houden.”
Dit onderzoeksteam heeft onlangs financiering ontvangen van de National Science Foundation in de V.S. om dit werk voort te zetten. Alderman kijkt uit naar de volgende fase van het onderzoek en merkt op dat alligators fascinerend zijn om te bestuderen.
“Alligators lopen al veel langer op deze planeet rond dan mensen, en ze zijn in die tijd niet veel veranderd — dus wat hun harten ook doen, ze doen het heel goed.”