Wissenschaftler verwenden Höhlenfische, um mehr über den Stoffwechsel und die evolutionäre Grundlage dafür zu erfahren, ein Stubenhocker zu sein

Zu Beginn der COVID-19-Pandemie erteilte Bestellungen für den Aufenthalt zu Hause leiteten das Horten von Lebensmitteln und einen Anstieg der Abonnements für digitale Unterhaltung, Essen zum Mitnehmen und Lieferdienste ein – ein perfekter Sturm für ein kollektives Couch-Potato-Phänomen. Jetzt haben Forscher herausgefunden, was längere körperliche Inaktivität für Menschen in vielen tausend Jahren bedeuten kann, indem sie Höhlenfische untersuchten.

Das Stowers Institute for Medical Research hat über neue Forschungsergebnisse zu Anpassungen im Höhlenfischstoffwechsel berichtet, die auftraten, als mexikanische Tetra-Flussfische vor 160.000 Jahren in unterirdische Höhlen strömten und sich seitdem dort versteckten. Die Studie, erschienen in PNAS am 24. Januar 2023 unter der Leitung von Doktorand Luke Olsen im Labor von Associate Investigator Nicolas Rohner, Ph.D., heraus, dass der Muskelstoffwechsel von Höhlenfischen einer genetischen Neuprogrammierung unterzogen wurde, was zu radikalen Veränderungen der Physiologie, Morphologie und des Verhaltens führte.

Trotz auffälliger Veränderungen im Aussehen blieb der Grottenfisch sowohl in der Wildnis als auch im Labor gesund. Daher kann die Untersuchung des Muskelstoffwechsels von Höhlenfischen aus einer evolutionären Perspektive unser Verständnis darüber verbessern, wie sich zunehmende Inaktivität auf den Menschen auswirkt.

„Es ist keine Überraschung, dass sich die Menschen mit fortschreitender Technologie immer weniger bewegen“, sagte Rohner. „Mit Cavefish haben wir ein einzigartiges System, mit dem wir untersuchen können, was passieren könnte, wenn Menschen über sehr, sehr lange Zeiträume Stubenhocker bleiben würden.“

Eine sitzende Lebensweise kann sich nachteilig auf die menschliche Gesundheit auswirken, Muskelabbau und Gewichtszunahme fördern und häufig zu Erkrankungen wie Diabetes, Herzerkrankungen und Schlaganfällen führen. Bei der Untersuchung von Cavefish fand das Team etwas Paradoxes.

Cavefish-Populationen aus Zentralmexiko wiesen im Vergleich zu Oberflächenfischen um 30 bzw. 40 Prozent weniger Muskelmasse und mehr Fett auf. Dies wirkte sich nicht nur nicht auf ihre Gesundheit aus, Höhlenfische konnten aufgrund genetischer Veränderungen im Muskelstoffwechsel auch genauso schnell schwimmen wie ihre „fitten“ Cousins ​​​​von Oberflächenfischen und für lange Zeiträume.

„Wenn man in eine Höhlenfisch-Muskelzelle schaut, gibt es eine deutliche Veränderung in der Zusammensetzung der Muskelfasern und damit in der Funktion“, sagte Olsen. „Und im Labor haben wir jede Umgebungsvariable kontrolliert, beobachten aber immer noch eine sehr unterschiedliche Muskelstruktur bei Höhlenfischen, was auf eine genetische Komponente hinter dem Phänotyp des fetten Fisches hinweist.“

Die Forscher konzentrierten sich auf die Genetik und fanden eine signifikante Verringerung der Aktivität von Genen, die Proteine ​​codieren, die für die Muskelkontraktion erforderlich sind. Gleichzeitig wurde die Aktivität eines Master-Gens erhöht, das die Fettzellentwicklung und den Fettstoffwechsel reguliert. Um festzustellen, ob diese Veränderungen tatsächlich genetisch bedingt sind, entwarf das Team einen Schwimmtest, um zu untersuchen, wie Höhlenfische auf Stimulation reagieren.

Sie fanden heraus, dass die normalen Schwimmgeschwindigkeiten für Höhlenfische fast viermal langsamer waren; Wenn sie jedoch stimuliert wurden, erhöhten sie ihre Geschwindigkeit nicht nur auf Geschwindigkeiten, die mit Oberflächenfischen vergleichbar waren, sondern waren auch in der Lage, das Tempo über lange Zeiträume aufrechtzuerhalten, was auf Muskelausdauer hinweist.

„Zuerst verstand ich nicht, wie das möglich war, da der Grottenfisch nicht über die richtige „Maschinerie“ für die Muskelkontraktion verfügte“, sagte Olsen. „Dann stellten wir fest, dass sie einen anderen Mechanismus zur Nutzung der im Muskel gespeicherten Energie angepasst hatten.“

Höhlenfische hatten nämlich erhöhte Konzentrationen eines Enzyms, das für die Bildung und den Stoffwechsel von Glykogen, einem aus Glukose gebildeten Komplex, verantwortlich ist. Darüber hinaus hat dieses Enzym eine bestimmte Stelle, die für die Addition eines Phosphatmoleküls oder Phosphorylierung anfällig ist, was bei Oberflächenfischen nicht beobachtet wurde. Wenn es phosphoryliert wird, wird die Glykogensynthese und -speicherung verbessert, und wenn nicht, schaltet das Enzym auf einen Glykogenstoffwechselweg um, der für eine anhaltende Muskelkontraktion erforderlich ist.

Zu verstehen, wie sich der Höhlenfisch-Stoffwechsel über Hunderttausende von Jahren entwickelt hat, kann Aufschluss darüber geben, wie sich Menschen über lange Zeiträume anpassen könnten.

„In Zukunft, zum Beispiel während der Raumfahrt zu anderen Planeten oder sogar Galaxien, könnte uns ein evolutionäres Modellsystem mit der natürlichen Variation, die wir beim Menschen sehen, Aufschluss darüber geben, welche Gene während längerer Inaktivitätsperioden im Spiel sind und ob es konservierte Moleküle gibt Pfade, die Veränderungen in Energieinvestitionsstrategien ohne entsprechende Pathologien vorantreiben“, sagte Rohner.