Les scientifiques découvrent pourquoi les chevaux sont des athlètes si exceptionnels

Essayez de dépasser un cheval Et vous perdrez probablement. Malgré le mythe persistant que notre espèce a évolué pour chasser la proie de la savane, Les chevaux vont généralement battre Même les athlètes d’endurance humaine les plus élites dans les concours de vitesse et de distance. De nouvelles recherches aident à expliquer pourquoi et comment les chevaux ont un avantage sportif.

Une étude Publié le 27 mars dans le journal Science constate qu’une série unique et ancienne de mutations génétiques était la clé de l’évolution de la forme aérobie exceptionnelle des chevaux. Ensemble, ces changements permettent aux muscles des chevaux d’utiliser l’oxygène rapidement et efficacement, sans encourir les dommages cellulaires normalement associés à la brûlure à travers beaucoup de carburant.

«Cela permet vraiment aux chevaux de prendre leur gâteau et de le manger aussi,» Gianni Castiglioneun co-auteur de l’étude et biologiste à l’Université Vanderbilt, raconte Science populaire. Les mutations expliquent en partie pourquoi les chevaux sont capables de maintenir une proportion aussi élevée de muscles par rapport à leur masse corporelle, pourquoi ils peuvent maintenir une concentration aussi élevée de mitochondries dans leurs cellules musculaires, et pourquoi leur capacité maximale à absorber et à utiliser l’oxygène (ou leur VO2 Max) est plus du double de celui d’un athlète humain.

Le gène et la protéine résultante au centre de l’adaptation ne sont pas seulement pour les chevaux – il a également de graves implications cliniques pour santé recherche. Il est possible qu’en découvrant le mystère de l’athlétisme des chevaux, les scientifiques puissent trouver de nouveaux traitements pour les maladies neurodégénératives chez l’homme comme la maladie d’Alzheimer ou même les thérapies pour bloquer le déclin de vieillissement normal.

Une première mutation du genre chez les mammifères

Castiglione et son équipe ont commencé leur quête avec une large étude des gènes à travers l’arbre de vie animaleà la recherche de la façon dont les séquences génétiques avec une importance connue chez les gens diffèrent ou restent les mêmes chez d’autres espèces. De façon inattendue, ils se sont habillés sur une altération équine spécifique qui aide à expliquer comment les chevaux (ainsi que les zèbres et les ânes) réalisent leur pouvoir propulsif. «Nous avons trouvé tout ce phénomène chez les chevaux – quelque chose que nous n’aurions jamais prédit», explique Castiglione.

Ajoutant à l’intrigue, le changement de chevaux est étroitement lié à celui que l’on trouve également chez les oiseaux, dit Elia Duhco-auteur de l’étude et ophtalmologiste et scientifique biomédical à l’Université Johns Hopkins. Castiglione et Duh ont publié Recherches antérieures en 2020 Sur cette découverte aviaire, et croyez que le changement est une partie importante des raisons pour lesquelles les oiseaux peuvent voler, malgré la façon dont tout cela est énergétique.

«Cela impliquait une évolution convergente», explique Castiglione. Mais une fois que les scientifiques ont creusé plus profondément, ils ont constaté que le changement génétique chez les chevaux est beaucoup plus compliqué que la mutation des oiseaux. Il s’avère que les chevaux ont dû éliminer beaucoup plus d’obstacles évolutifs pour se rendre à leur forme finale. L’un de ces obstacles est si rare, c’est un type de mutation seulement auparavant vu Dans un sous-ensemble de virus.

Le facteur protéique

Pour comprendre comment les chevaux ont trouvé leur foulée athlétique, il est d’abord important de comprendre deux protéines: Nrf2 et Keap1. Nrf2 est fondamentalement identique à presque tous les vertébrés. Il a des effets antioxydants dans le corps, neutralisant les molécules dommageables. Il joue également un rôle dans la production de la molécule adénosine triphosphate (ATP), qui est la monnaie énergétique des cellules. Les mitochondries alias la «puissance de la cellule» brûlent ATP comme carburant. Plus il y a de l’ATP disponibles, plus les cellules de travail peuvent faire.

Bien que NRF2 remporte des fonctions très importantes, elle peut également être mortelle si elle s’exécute. Chez de nombreux vertébrés, le NRF2 hyperactif déclenche de gros problèmes comme la croissance tumorale. «C’est une situation Goldilocks», explique Castiglione. Les animaux «doivent réguler étroitement Nrf2 et l’allumer uniquement quand ils en ont besoin.»

( En rapport: Pourquoi étudier les chevaux pourrait aussi aider les humains à rester en bonne santé. )

C’est là que Keap1 entre en jeu. Il maintient Nrf2 en échec en glissant sur NRF2 et en obstruant son site actif dans des conditions cellulaires normales. Lorsque suffisamment de molécules oxydantes, également appelées radicaux libres, apparaissent comme un sous-produit inévitable Des cellules utilisant l’énergie, Keap1 est désactivée. Cela libère NRF2 pour combattre les radicaux libres et minimiser les dommages cellulaires.

Chez les oiseaux, les modifications du gène qui codes pour Keap1 rendent la protéine non fonctionnelle. Les Avians ont développé des stratégies pour compenser certaines des conséquences d’avoir des protéines NRF2 non réglementées et constamment actives – tout en récoltant toujours la récompense d’une énergie suffisante pour voler. «Il y a certainement un équilibre et – pour différents organismes – c’est une question de l’équilibre optimal», explique Duh.

Les chevaux exploitent le pouvoir de «recoder»

Chez les chevaux et leurs proches parents, Les choses sont un peu plus alambiquées. Les auteurs de l’étude ont trouvé un seul changement de nucléotide dès le début du gène qui code pour Keap1, qui arrêterait normalement la production de protéines. Cependant, par le séquençage des protéines, les expériences de culture cellulaire et les comparaisons avec les cellules de souris et humaine, Duh et Castiglione ont découvert que les chevaux n’ont pas de protéine non fonctionnelle et ralenti. Au lieu de cela, le Version équine de Keap1 est encore plus sensible au stress, et plus sensible aux radicaux libres que le type qui existe dans d’autres vertébrés.

Les chevaux font cela à travers un phénomène appelé recodage. Pendant la récupération, une séquence de gènes normalement lue comme un signe d’arrêt est traduite en un acide aminé qui permet de construire le reste de la protéine. Une suite de changements génétiques complémentaires devait arriver pour permettre le recodage, mais il n’est pas clair si ceux-ci sont venus avant ou après la mutation du gène Keap1 lui-même. Quoi qu’il en soit, la protéine Horse Keap1 qui en résulte est juste suffisamment différente pour offrir des avantages, sans aucun inconvénient évident.

Ce type particulier de recodage n’a été que documenté auparavant dans virus qui infectent les bactéries ou les bactériophages. Trouver le processus dans un mammifère vertébré révèle un tout nouveau domaine de bizarrerie génétique possible qui se cache dans des organismes complexes. «Cela parle simplement du caractère unique des chevaux», explique Duh.

( En rapport: Les chevaux avaient autrefois plusieurs orteils à sabot. )

Le nombre pur de changements d’ADN Cela doit avoir eu lieu en succession rapide pour créer ce résultat synchrone reflète également la forte pression que les chevaux étaient probablement en dessous pour devenir rapide et infatigable. Les premiers animaux en forme de cheval avaient à peu près la taille des chiens et faisaient face à plusieurs prédateurs dans leur habitat ouvert de prairies. Pour éviter d’être consommé à l’extinction, ils se sont adaptés. C’était un «creuset évolutif intense» et les chevaux ancestraux devaient innover pour survivre, suggère Castiglione.

Il n’est pas clair exactement quand dans l’histoire des chevaux, ces changements se sont produits. Cela aurait pu être juste avant les origines du genre Égalise Il y a 4 et 4,5 millions d’années. Ou, il était peut-être aussi distant qu’il y a 55 millions d’années, juste après le Les ancêtres communs des rhinocéros et des chevaux contemporains se séparent. Le dossier génétique est trop incomplet pour tirer des conclusions détaillées sur la chronologie, note Castiglione. «Nous ne pouvons déduire ce qui s’est passé une fois une fois – à moins que vous n’ayez une machine à remonter le temps. C’est toujours une limitation avec un travail évolutif.»

Applications futures chez l’homme

Malgré les questions évolutives sans réponse, Castiglione et Duh croient que leurs résultats sont suffisamment solides pour stimuler les avancées biomédicales. Keap1 et Nrf2 sont d’une importance cruciale protéines dans beaucoup humain maladies et en vieillissement. Sachant qu’un seul nucléotide d’ADN et un échange d’acides aminés peut changer considérablement la façon dont les fonctions du complexe protéique pourraient être utiles pour aborder certains des dysfonctionnements qui apparaissent.

Ensuite, il y a le fait que les chevaux ont évolué une solution de contournement pour éviter de rester coincé avec une protéine de Keap1 de mauvaise qualité, malgré une mutation qui aurait dû interrompre la ligne de production. «Dans 10 à 15% des maladies humaines, vous avez un codon d’arrêt prématuré», explique Castiglione. Si les ancêtres des chevaux trouvaient un moyen de produire une protéine fonctionnelle, une thérapie génique similaire inspirée des équines pourrait peut-être également être développée pour l’homme.

Pourtant, pour ces possibilités futures de se matérialiser, il doit y avoir un investissement continu dans la recherche exploratoire et fondamentale, explique Castiglione. «Tous ces travaux ont été financés par les (National Institutes of Health)», dit-il Science populaire. «C’est à cause de leur volonté de financer la recherche fondamentale que nous avons maintenant trouvé des choses de valeur clinique que nous n’aurions jamais pu prévoir.» Sous l’administration actuelle, le NIH est Face à des réductions de financement majeures.