Exercise sustains the hallmarks of health

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209525462200103X

 하이라이트

• 규칙적인 운동은 여러 가지 건강상의 이점과 더 나은 생존을 제공합니다.
• 규칙적인 적당한 강도의 운동은 건강의 주요 특징을 유지합니다.
• 운동의 건강상의 이점은 여러 조직과 기관의 놀라운 통합적 적응에 있습니다.
• 운동은 스트레스에 대응하여 건강을 유지하기 위한 보호 전략으로 나타납니다.
• 규칙적인 운동은 특정 동반 질환이 있는 환자에게 비약리학적 폴립 제로 간주됩니다.

 

초록

운동은 체력을 향상시키고 건강을 유지하는 데 있어 적극적인 역할을 하는 것으로 오랫동안 알려져 왔습니다. 규칙적인 적당한 강도의 운동은 인간 건강의 모든 측면을 개선하며 다양한 질병에 대한 예방 및 치료 전략으로 널리 받아들여지고 있습니다. 운동은 유기체, 조직, 세포 및 분자 수준에서 항상성을 유지하고 복원하여 결과적으로 다양한 병리학적 상태로부터 보호하는 긍정적인 생리학적 적응을 자극한다는 것이 잘 문서화되어 있습니다. 여기에서는 중간 강도 운동이 장벽의 완전성, 국소적 교란의 억제, 재활용 및 전환, 회로 통합, 리듬 진동, 항상성 탄력성, 호르몬 조절, 회복 및 재생을 포함하여 건강의 주요 특징에 어떻게 영향을 미치는지 주로 요약합니다. 또한, 우리는 운동에 대한 반응으로 유익한 적응을 담당하는 메커니즘에 대한 현재의 이해를 요약합니다. 이 리뷰는 중간 강도의 운동이 건강을 유지하고 다른 건강 중재에 적용할 수 있는 창을 여는 중요한 생물학적 메커니즘에 대한 포괄적인 요약을 제공하는 것을 목표로 했습니다. 우리는 이 분야에 대한 지속적인 조사를 통해 중간 강도 운동의 긍정적인 역할과 관련된 과정에 대한 이해를 더욱 높이고 삶의 질을 향상시키는 새로운 치료법을 찾는 데 더 가까워지기를 바랍니다.

 

1. 소개

현대화로 인해 인구 수명이 연장되었지만, 비만, 고혈압, 제2형 당뇨병, 암 등 비전염성 질병도 지속적으로 증가했습니다. 비전염성 질병은 특정 국가에서 사망의 80% 이상을 초래하기 때문에 이제 전 세계적으로 “제1의 살인자”로 간주됩니다. 비전염성 질병의 유병률은 적어도 부분적으로는 신체 활동이나 운동이 부족하기 때문일 수 있습니다. 세계보건기구(WHO)의 데이터에 따르면, 2016년에 전 세계 성인의 4분의 1 이상이 신체적으로 활동적이지 않았습니다. 신체 활동 부족이라는 세계적인 유행병은 공중 보건의 우선순위가 되어야 합니다. 건강한 생활 방식은 전체 사망률의 위험을 현저히 낮추고 기대 수명을 연장시키는 것과 관련이 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 건강하고 적절한 식이 패턴과 함께 운동은 비만과 관련된 만성 대사 질환 및 염증성 질환의 위험을 줄이기 위한 유망한 전략을 나타냅니다. 일반적으로 신체활동이란 걷기, 육체 노동, 집안일 등 에너지가 있어야 하는 모든 움직임으로 정의됩니다. 이에 반해 운동은 체력 향상을 목표로 계획되고 구성된 신체 활동의 루틴을 의미합니다. 이 리뷰에서 우리는 최대 산소 섭취량 (VO2max )이 70% 미만인 정기적인 중간 강도의 운동을 지칭하기 위해 “규칙적인 운동”이라는 용어를 사용합니다.

 

어린이와 성인은 앉아 있는 시간을 제한해야 하며, 이는 모든 원인으로 인한 사망, 심혈관 질환, 암, 제2형 당뇨병 발병 등 건강에 좋지 않은 결과와 관련이 있습니다. 앉아서 생활하는 행동을 모든 강도(빛의 강도 포함)의 신체 활동으로 대체하는 것은 건강에 유익합니다. 상당한 건강상의 이점을 위해 세계보건기구(WHO)는 성인이 일주일 내내 최소 150~300분의 중강도 또는 75~150분의 고강도 유산소 신체 활동을 수행하거나 중강도와 고강도 유산소 신체 활동을 이에 상응하는 조합으로 수행해야 한다고 권장합니다. 성인은 일주일 내내 중강도 유산소 신체활동을 300분 이상으로 늘리거나, 격렬한 유산소 신체활동을 150분 이상 수행하거나, 중강도와 고강도 유산소 신체활동을 동등한 조합으로 수행하도록 권장됩니다. 성인은 또한 모든 주요 근육 그룹을 포함하는 근육 강화 활동을 일주일에 2일 이상 중간 강도 이상의 강도로 수행하는 것이 좋습니다. 유산소 활동 다음으로 65세 이상 성인은 기능적 균형과 근력 운동을 포함한 복합 신체 활동을 중강도 이상의 강도로 일주일에 3일 이상 하는 것이 좋습니다.

 

임신 전 30시간의 대사 등가 작업은 임신성 당뇨병의 상대적 위험을 12% 감소시키는 것과 관련이 있고, 임신 전과 임신 중 주당 7시간의 신체 활동은 30% 감소와 관련이 있다는 증거가 있습니다. 위험은 각각 37% 감소했습니다. 또한, 주당 500회 대사량에 해당하는 유산소 신체 활동(중등도 신체 활동 150분 또는 고강도 신체 활동 75분에 해당)은 전체 원인으로 인한 사망 위험을 14% 감소시키는 것으로 나타났습니다. 심혈관 질환 환자는 건강한 성인의 경우 위험이 7% 감소합니다. 그리고 5~17세 어린이와 청소년은 하루 평균 60분 동안 중등도에서 격렬한 강도의 신체 활동을 수행했는데, 이는 심폐 건강, 근력 건강, 뼈 건강 및 심대사 건강을 포함한 여러 가지 유익한 건강 결과와 관련이 있었습니다.

 

많은 연구에서 규칙적인 운동이 심혈관 질환의 위험을 줄이고 비만, 제 2형 당뇨병, 다발성 경화증, 뇌졸중, 노화 관련 근육 감소증 및 일부 유형의 암 등 다양한 기타 병리를 앓고 있는 환자의 건강 결과를 개선하는 데 중요한 역할을 한다는 개념을 뒷받침합니다. 역학 연구에 따르면 심혈관 질환 유무와 관계없이 신체 활동 수준이 높을수록 사망 위험이 낮아지지만, 사망률과 관련하여 신체 활동의 이점은 더 큰 것으로 나타납니다. 심혈관 질환이 있는 사람과 심혈관 질환이 없는 사람의 비교. 더욱이, 규칙적인 신체 활동이나 운동은 일반적으로 건강에 해로운 결과(예: 장애 수준, 사망률)의 위험 감소 및 더 나은 생존과 관련이 있습니다. 운동은 낮은 신체 활동과 관련된 만성 질환과 복합 질병을 부분적으로 역전시킬 수 있으며 삶의 질을 향상시키기 위한 예방적 접근 방식으로 사용될 수 있습니다. 또한, 더 많은 양과 더 높은 강도의 신체 활동뿐만 아니라 다양한 유형의 신체 활동(예: 유산소 운동, 근육 및 뼈 강화 활동)은 여러 가지 유익한 건강 결과(예: 심폐 건강, 근육 강화 활동)와 관련이 있습니다. 5~17세 어린이 및 청소년을 위한 피트니스, 뼈 건강 및 심장 대사 건강).

 

근력, 지구력, 균형, 유연성, 협응력과 같은 규칙적인 중간 강도 유형의 운동은 인간 건강의 모든 측면에 유익하며 심혈관 질환(예: 심근병증, 심장병, 심장 질환)을 비롯한 다양한 질병에 대한 치료 및 예방 전략으로 널리 받아들여지고 있습니다. (허혈/ 재관류 손상, 심부전), 대사질환 (예: 고지혈증, 대사증후군, 제2형 당뇨병), 신경계 질환 (예: 파킨슨 병, 다발성 경화증), 폐질환 등. 그러나 신체 운동이 최소 강도 수준을 약화시키는 경우 신체 항상성에 큰 변화가 예상되지 않습니다. 훈련을 받지 않은 개인의 경우 갑자기 격렬한 강도의 운동을 시작하면 심혈관 질환이 발생할 수 있으며 장기간 강렬한 운동을 하면 경색의 발생률이 높아질 수 있습니다. 따라서 운동의 강도와 방식은 건강에 긍정적인 영향을 미치는 데 매우 중요합니다.

 

운동의 생물학은 복잡하며 여러 기관 시스템의 적응 반응을 포함합니다. 움직임과 신체 활동은 에너지 수요를 충족시키기 위해 골격근을 전신 조절자로 바꾸는 진화적 생존 이점입니다. 운동은 심혈관, 호흡기, 근골격계 뿐만 아니라 면역계와 내분비계에도 영향을 미치는 역동적인 에너지 소모 활동입니다. 운동의 효능에 대한 광범위한 조사에도 불구하고 운동의 이점에 대한 기본 메커니즘은 아직 파악하기 어렵습니다. 운동에 대한 심리사회적, 생물학적 반응을 요약한 논문이 꽤 많지만, 대부분은 특정 질병이나 장기 시스템에 초점을 맞추고 있습니다. 우리가 아는 한, 유기체의 전반적인 “조직”과 기본 메커니즘의 관점에서 운동으로 인한 변화를 보고하는 연구는 거의 없습니다.

 

최근 논문에서 이 연구의 공동 저자 중 2명은 건강의 8가지 특징을 제안했습니다: 장벽의 완전성, 국소적 교란의 억제, 재활용 및 회전율, 회로 통합, 리듬 진동, 항상성 탄력성, 호르몬 조절 및 회복 그리고 재생. 더 많은 조사가 필요하지만, 운동이 이러한 특징의 대부분에 영향을 미칠 수 있다는 증거가 풍부 합니다( 그림 1 ). 이 리뷰는 운동이 건강에 유익한 효과를 가져오는 중요한 생물학적 변화에 대한 포괄적인 요약을 제공하는 것을 목표로 했습니다. 또한, 이 리뷰에서는 운동 중재가 질병, 특히 연령 관련 질병(알츠하이머병, 파킨슨병), 제2형 당뇨병, 심혈관 질환(심근병증, 심장 허혈/재관류 손상, 심부전)을 예방하는 데 효과적인 메커니즘을 요약합니다. 및 특정 암(유방암 및 대장암). 더 나은 독해를 위해 동물 연구의 운동 프로토콜을 자세히 설명하는 보충 표 1, 인간 연구의 운동 프로토콜을 자세히 설명하는 표 1, 본 리뷰에서 인용된 무작위 대조 시험을 기반으로 한 증거를 요약한 표 2를 포함했습니다.

구체적인 내용은 원문에서 확인하세요.

2. 운동은 장벽의 무결성을 보호합니다
3. 운동은 국소 항상성 유지에 도움이 됩니다
4. 재활용 및 회전율에 있어서 운동의 이점
5. 다양한 회로에 대한 운동의 효과
6. 리듬 진동에 대한 운동의 효과
7. 항상성 회복력에 있어서 운동의 이점
8. 호르몬 조절에 있어 운동의 이점
9. 운동이 회복과 재생에 미치는 영향
10. 운동이 건강에 미치는 통합적 효과

11. 결론 및 전망

운동의 유익한 효과는 대사 및 심폐 건강 관련 결과의 개선에 대해 잘 문서화되어 있습니다. 규칙적인 운동은 본질적으로 특정 동반 질환이 있는 환자에게 비약리학적 폴립 제로 간주됩니다. 치료 운동은 비만, 제2형 당뇨병, 심혈관 질환, 노화 관련 근육 위축 및 특정 암과 같은 질병을 예방, 관리 및 치료하기 위해 채택될 수 있습니다. 그러나 운동 프로토콜은 연구마다 다를 수 있으므로 이러한 발견을 해석할 때는 주의해야 합니다.

 

운동은 자유로운 생활을 하는 개인을 정확하게 평가하기 어려운 복잡하고 다차원적인 과정입니다. 운동을 정량화하는 데 적용되는 방법의 일관성 부족은 데이터 분석의 한계이며 실험 결과를 임상 실습으로 전환하는 데 방해가 될 수 있습니다. 따라서 운동과 관련된 향후 작업은 재현성이 뛰어나고 엄격하게 설계되고 잘 보고된 시험을 기반으로 수행되어야 합니다.

 

본 리뷰에서 우리는 생물학적 원인의 관점에서 운동의 건강상의 이점을 요약하려고 시도했습니다. 지면의 제약으로 인해 개별 주제별로 종합적인 리뷰를 제공하기는 어렵습니다. 그러나 지금까지 논의된 주제와 특징은 운동 관련 연구에 대한 기계적 관점을 제공할 수 있습니다. 운동의 생물학은 복잡하므로 각 주제와 특성에 대한 운동의 효과를 설명하기 위해 예를 나열했으며, 이는 운동으로 인한 적응을 포괄적으로 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

현재의 Mendelian 무작위화 연구와 섹션 7.2 의 전통적인 관찰 연구 사이의 상충되는 결과와 관련하여 미래의 연구자들은 운동의 생물학적 경로를 밝히기 위해 더욱 기계적인 연구를 수행해야 합니다. 게다가 운동으로 자극된 기관간 의사소통에 대해서는 아직 연구가 덜 되어 있습니다. 운동과 관련된 기관간 의사소통과 그 기본 메커니즘에 대한 더 자세한 연구는 운동 반응 분자를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 규칙적인 운동은 의심할 여지 없이 전반적인 건강에 유익합니다. 그러나 운동의 다양한 건강상의 이점을 뒷받침하는 메커니즘은 복잡하며 세포 소기관(예: 미토콘드리아, 핵, ER)의 적응을 탐구하는 데 전념하는 노력은 운동의 긍정적인 효과를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

운동의 유익한 효과를 뒷받침하는 메커니즘에 대한 추가 조사는 운동 중재의 설계를 개선하고 치료 효과를 극대화하는 데 도움이 될 것입니다. 그러므로 건강 증진을 위한 운동 방법의 수정을 지향하는 잠재적인 후속 개입의 효과를 더 잘 이해하고 사람의 건강을 향상할 수 있는 특정 분자를 연구하기 위해서는 운동의 과학적 기초에 대한 사전 심층 지식이 필요합니다. 우리는 이 분야에 대한 지속적인 조사가 운동의 유익한 역할과 관련된 과정에 대한 이해를 높이고 삶의 질을 향상하기 위한 새로운 치료법의 식별을 촉진할 수 있기를 바랍니다.

게놈의 여분의 복사본을 가지고 있는 배수체 세포는 조직이 부상에 반응하고 종들이 대격변에서 살아남는 데 도움이 될 수 있습니다

https://www.science.org/content/article/cells-extra-genomes-may-help-tissues-respond-injuries-species-survive-cataclysms

 

STRESS RESPONDERS

Polyploid cells, which have extra copies of their genomes, may help tissues respond to injuries and species survive cataclysms

Vicki Losick이 박사 학위를 받았을 때. 그리고 2008년에 카네기 과학 연구소의 초파리 연구실에 합류했습니다. 그 연구소장은 자신의 박사후 연구원이 새로운 연구 분야를 시작할 것으로 기대한다고 발표했습니다. 그녀는 당시 유행하던 줄기 세포, 즉 다른 세포 유형에 특화되고 배아 발달과 성인 조직의 재생에 중요한 역할을 하는 다용도 세포인 줄기세포를 선택했습니다. Losick은 상처 회복에도 도움이 되는지 궁금했습니다. 그래서 그녀와 또 다른 박사후 연구원인 돈 폭스(Don Fox)는 구조하러 오는 줄기세포를 기록하기 위해 작은 바늘로 초파리를 찌르기 시작했습니다.

대신, 두 박사후 연구원은 독립적으로 연구하면서 상처 근처의 다른 세포가 이상하게 행동하는 것을 발견했습니다. 세포는 DNA를 복제하여 성장하고 분열을 준비했습니다. 그런 다음 그들은 멈춰서 각각의 게놈 사본이 여러 개 있는 단일의 확대된 세포로 남았습니다. 현재 Boston College에 재학 중인 Losick은 이렇게 회상합니다. “저는 충격을 받았습니다.

며칠 후 그녀와 Fox가 파리 상처 부위를 조사했을 때 줄기세포가 아닌 소위 배수체 세포가 주요 상처 치료자라는 징후를 발견했습니다. 천자 부위에서는 여러 개의 핵을 가진 초대형 세포가 빠르게 상처를 닫았습니다. “동시에 우리는 줄기세포와는 아무런 관련이 없는 같은 것을 발견했습니다.”라고 Fox는 회상합니다.

그 이후로 배수체 세포에 대한 두 과학자의 관심은 더욱 커졌습니다. 대부분 식물과 동물 세포는 이배체입니다. 게놈은 각 부모로부터 하나씩 두 세트의 염색체로 구성됩니다. 하나 이상의 추가 염색체 세트를 가지고 있는 배수체 세포는 한때 암 성장을 촉진하는 것으로 악명이 높은 해로운 변칙 개체로 여겨졌습니다. 그러나 이제 배수성은 “초파리에 널리 퍼져 있으며 우리 몸에도 마찬가지“라는 것이 분명해졌다고 Losick은 말합니다. 실제로 일부 데이터에 따르면 인간 심장 세포의 80%가 성인이 될 때까지 배수체로 태어나 태어날 때는 전혀 없었으나 증가했습니다.

배수체 세포가 흔하고 중요해 보이도록 등장함에 따라, 한때 모호했던 이 주제는 이제 암 연구자, 발생 생물학자, 진화 생물학자, 세포 생물학자와 농업 과학자들을 하나로 모으고 있습니다. Losick은 5월에 플로리다에 모인 약 150명의 연구원이 Polyploidy Across the Tree of Life 조직을 돕고 일반적으로 고립된 분야의 정보를 거래했습니다. 피츠버그 대학의 발달 생물학자인 Shyama Nandakumar는 “상호 관심의 양은 정말 놀라웠습니다.”라고 말합니다.

연구 노력으로 자연적으로 배수성을 유도하는 데 도움이 되는 여러 유전자가 밝혀졌는데, 이는 이것이 단순한 세포 사고가 아니라는 증거입니다. 연구자들은 배수체 세포가 식물 세포에서 심장까지의 조직 발달을 형성한다는 단서를 발견했습니다( 아래 사이드바 참조 ). 그리고 그들은 배수체 세포가 초파리와 같은 부상부터 인간의 폐, 간, 신장의 질병과 손상에 이르기까지 스트레스에 대처하는 모든 종류의 조직과 기관에 필수적인 반응이라는 증거를 모으고 있습니다. 배수체 세포는 “줄기세포의 대안”이라고 현재 듀크 대학교에 있는 Fox는 말합니다.

배수성은 개별 유기체뿐만 아니라 전체 종을 대처하는 방법일 수 있습니다. 식물의 약 30%는 완전 배수체입니다. 즉, 식물의 모든 세포는 조상에서 발견된 염색체 수의 두 배 이상을 가지고 있습니다. 예를 들어 여러 도롱뇽과 같은 소수의 동물도 마찬가지입니다. 진화생물학자들은 배수체 유기체가 이배체 유기체보다 경쟁에서 불리한 경우가 많다는 사실을 발견하여 이러한 특성이 지속하는 이유에 대한 의문을 제기합니다. 수백만 년 전에 게놈 복제가 발생한 시기를 정확히 지적함으로써 연구자들은 잠재적인 대답을 엿볼 수 있습니다. 배수성은 종들이 재앙적인 환경 변화를 견디는 데 도움이 될 수 있습니다. 모든 종류의 공간적, 시간적 규모에서 배수성은 “손상 반응”이라고 플로리다 대학의 식물 진화 생물학자인 더글러스 솔티스(Douglas Soltis)는 제안합니다.

거의 한 세기 동안 과학자들은 배수체 세포가 다양한 방식으로 발생할 수 있음을 인식해 왔습니다( 아래 그래픽 참조 ). 때로는 세포 분열이 중간에 중단되고, 복제된 DNA가 딸세포 간에 분열되지 않고 모세포에 갇히게 됩니다. 다른 시나리오에서는 세포가 융합하여 여러 개의 핵을 가진 단일 세포를 만듭니다. 각각의 경우 결과는 더 큰 셀입니다. “다배체가 됨으로써 [세포]는 물리적 특성을 변화시킵니다.”라고 Losick은 말합니다.

이 세포는 때때로 유해하여 화학요법 및 방사선 치료에도 불구하고 암이 발생하거나 지속하도록 돕습니다. 배수체 세포는 일부 조건에서 신장과 간을 손상할 수도 있습니다. 그러나 Losick과 Fox는 초파리 상처 연구에서 또 다른 역할을 발견했습니다. 유사한 발견을 찾기 위해 과학 문헌을 조사했을 때, 그들은 다른 그룹에서 장기가 손상된 후 간을 포함하여 질병에 걸리거나 스트레스를 받는 조직에 배수체 세포가 나타나는 것을 보았다는 사실을 알게 되었습니다. 그래서 두 사람은 초파리 시스템을 더 조사했습니다. 그들은 개별 세포의 배수체 세포 수와 핵 및 게놈 수가 상처 크기를 포함한 요인에 따라 다르다는 것을 발견했습니다.

가장 중요한 점은 염색체 배가 또는 세포 융합에 필요한 유전자를 조작하여 배수체 세포의 생성을 억제하면 상처가 치유되지 않는다는 것입니다. 2013년 카네기 그룹이 이 발견을 보고하기 전에도 Tulane 대학의 초파리 생물학자인 Wu-Min Deng은 상처 입은 초파리 난소에서 같은 현상을 보고했습니다. Fox는 이 출판물이 “재생 생물학의 새로운 개척”을 예고했다고 말했습니다.

 

염색체가 야생으로 변했다

대부분 종의 세포에는 잘 정의된 염색체 수(N)로 구성된 두 개의 일치하는 세트가 있습니다. 그러나 몇몇 프로세스는 일반적으로 2N 개의 셀에 추가 세트를 부여할 수 있습니다. 배수성(polyploidy)으로 알려진 이 상태는 세포의 모양을 변화시키고 세포에 새로운 특성을 부여할 수 있으며 때로는 새로운 종으로 이어질 수 있습니다.

Fox, Losick 등은 또한 세포가 치유에 어떻게 이바지하는지 기록했습니다. 초파리의 경우 매머드 세포 중 일부는 찔린 상처로 인해 생긴 공간을 빠르게 메우고, 다양한 유전자의 복사본을 여러 개 갖고 있어 치유 속도를 높이는 추가 단백질을 만들 수 있습니다. 예를 들어, 바늘 찌르기가 근육을 파괴하는 경우, 이 세포는 근육 수축을 돕는 미오신 단백질을 많이 생성합니다. Losick은 배수체 세포의 여분의 DNA가 정상적인 이배체 세포를 죽게 만들어 회복을 지연시키는 염증으로 인한 손상으로 인한 DNA 손상에 대한 저항성을 갖게 할 수도 있다고 Losick이 제안합니다.

독소로 인해 손상된 쥐의 신장과 탈수, 외상, 감염 또는 기타 스트레스를 받은 인간의 신장에서도 유사한 과정이 전개됩니다. 5월 회의에서 플로렌스 대학의 세포생물학자인 레티시아 데 키아라(Letizia De Chiara)는 자신과 플로렌스의 신장학자인 파올라 로마냐니(Paola Romagnani)와 함께 새롭고 큰 배수체 세포가 손상된 부위를 빠르게 집어삼켜 쥐의 신장 기능을 회복시키는 것을 관찰했다고 보고했습니다. 그녀와 동료들은 또한 장기가 점차 쇠퇴하고 있는 사람들의 신장 생체검사를 조사했습니다. 많은 배수체 세포가 그 신장을 채웠습니다. 급성 신장 손상에서 회복된 사람들의 경우 시간이 지남에 따라 그러한 세포 수가 감소했다고 그녀는 회의에서 보고했습니다.

손상 제어 작업이 완료되면 배수체는 이러한 초대형 세포의 축적이 해로울 수 있으므로 종료되어야 합니다. 예를 들어, 플로렌스 팀은 작년에 이것이 흉터와 만성 신부전으로 이어질 수 있다고 보고했습니다. 그러나 Losick의 대학원생 Loiselle Gonzalez는 특정 종류의 흉터 자체가 흉터 수를 조절하는 데 도움이 될 수 있음을 발견했습니다. 그녀가 상처 입은 파리의 흉터를 중단했을 때 배수체 세포가 계속 형성되었으며 상처가 완전히 닫히지 않았다고 5월 회의에서 보고했습니다. “섬유증을 포함한 흉터 같은 조직은 배수성을 수축하는 데 필요할 수 있습니다. “라고 Losick은 말합니다.

Losick은 초파리의 배수성을 제어하는 ​​데 도움이 되는 단백질을 확인했습니다. 이는 yes1 관련 전사 조절인자인 YAP1이라는 포유류 분자와 동등한 파리입니다. YAP1은 장기 크기를 조절하는 유전자를 조절하는 데 도움을 주는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 곤충의 상처 치유에서 배수성을 자극하고 활동이 떨어지면 과정을 억제하는 것으로 나타났습니다. 플로렌스 팀은 YAP1이 쥐 신장에서 동일한 역할을 한다는 사실을 발견했습니다. Romagnani는 “ 초파리 (복부)와 포유류의 신장에서 매우 유사한 것을 볼 수 있다는 것은 정말 놀라운 일이었습니다….”라고 말했습니다.

쥐 연구에 따르면 적절한 시기에 YAP1을 억제하면 손상된 신장에 해로운 흉터가 발생할 가능성이 작아질 수 있다고 De Chiara는 말합니다. 그녀와 그녀의 동료들은 동물 모델에서 이러한 가능성을 조사하고 있습니다. 몇몇 생명공학 회사는 다른 목적으로 YAP1 경로를 표적으로 삼는 약물을 개발하고 있으며, 배수성의 단점을 방어하는 데도 도움이 될 수 있습니다.

배수체 세포를 표적으로 삼는 약물은 가장 파괴적인 효과 중 하나인 암세포가 치료 스트레스를 견딜 수 있도록 돕는 능력에 대응하는 데 도움이 될 수도 있습니다. 대부분 종양에서는 최소한 몇 개의 세포가 비분열 배수체 거대세포로 변하는데, 이 세포의 추가 유전 물질로 인해 화학요법이나 방사선 치료에 저항력이 생깁니다. 이 세포들은 또한 종양 부위를 떠나 신체의 다른 부분에 정착하는 능력을 향상하는 물리적 특성(운동성과 탄력성 증가)이 있는 것으로 보인다고 존스 홉킨스 의과대학 연구원들이 작년에 bioRxiv에 보고 했습니다.

또 다른 홉킨스 팀은 세포의 탄력성에 중요한 역할을 하는 것으로 보이는 다중단백질 복합체를 발견했습니다. 그들이 배수체 세포에서 복합체의 한 구성 요소인 CDK9라는 단백질을 억제했을 때 세포는 더 항암제에 노출되어도 살아남지 못했습니다. 이는 약물 저항성 암에 유혹적인 취약성을 시사한다고 회의에서 보고했습니다.

배수체 세포가 손상되거나 스트레스를 받은 조직에서는 단기 방문객을 환영하지만, 암에 머무르면 위협이 된다면 밀, 딸기, 설탕과 같은 작물을 포함한 일부 종에서 배수체가 여러 세대에 걸쳐 거의 모든 세포에서 지속하는 이유는 무엇입니까? 지팡이? 이들 종의 과거 대부분은 두 개 이상의 친척이 서로 교배했으며 이들의 게놈은 이배체로 돌아가는 대신 힘을 합쳤습니다. 때로는 이렇게 결합한 게놈이 다시 복제되기도 합니다. 밀에는 6개의 염색체 세트가 있습니다. 딸기는 8개 있어요. 성장과 영양분에 대한 주요 유전자의 다중 복사본은 곡물의 머리 밀도가 더 높고, 과일이 더 크고, 줄기가 더 크고 달콤한 결과를 가져올 수 있습니다.

이러한 특성은 인간 소비자를 기쁘게 할 수 있지만, 식물의 경우 “대부분은 아니지만 많은 전체 게놈 복제가 실제로 부적응적입니다”라고 겐트 대학의 진화 생물학자인 Yves Van de Peer는 말합니다. 예를 들어 배수체 식물은 더 많은 영양분이 필요하며 이배체 식물보다 느리게 자라는 것 같습니다. 그러나 이러한 특성은 지속하며 Van de Peer는 답이 스트레스에 대처하는 것이라고 믿습니다.

그와 그의 동료들은 어떤 패턴이 있는지 알아보기 위해 야생 식물 종의 게놈이 복제되는 시기를 찾아내기 시작했습니다. 그들은 이러한 중복 중 상당수가 약 6천6백만 년 전, 소행성이 지구에 충돌하여 대량 멸종을 일으켰을 때 발생했다는 사실을 발견했습니다. 이러한 추세는 수십 개의 추가 식물 게놈에 대한 추가 분석에서 유지되었으며, 이는 기후 변화 또는 빙하 기간 전체 게놈 복제의 추가적인 물결을 드러냈습니다.

“처음에는 [Van de Peer의 아이디어에 대해] 회의적이었습니다.”라고 Soltis는 말합니다. “그러나 그것은 시간의 시험을 계속 견디고 있습니다.” 예를 들어 Van de Peer 팀은 식물 생물학 연구에 자주 사용되는 속인 애기장대 (Arabidopsis) 의 일부 종은 지난 200만 년 동안 추운 날씨 동안 배수체가 되었다는 사실을 발견했습니다. 2019년, 하버드 대학교 진화생물학자 찰스 데이비스(Charles Davis)는 말피기알레스(Malpighiales)라고 불리는 열대 현화식물 그룹이 5천만 년 전 극심한 온난화 기간 전체 게놈 복제를 겪었다는 결론을 내렸습니다. 오늘날 그들은 약 16,000종으로 이루어져 있는데, 이는 배수성이 해를 끼치기보다는 도움이 되었음을 암시합니다.

이제 Van de Peer는 다중 게놈이 제공하는 증가한 유전적 유연성을 통해 배수체가 새로운 스트레스에 빠르게 적응하고 대부분의 정상적인 식물과 동물을 멸종시키는 재앙적인 사건을 극복할 수 있다고 믿습니다. 전체 게놈 복제의 패턴은 “다수체에 대한 단기적, 심지어 즉각적인 진화적 이점을 제안합니다”라고 Van de Peer는 말합니다.

회의에서 그는 그 아이디어를 뒷받침하는 컴퓨터 모델링과 실험 결과를 제시했습니다. 그의 팀은 디지털 유기체 떼를 만들었습니다. 여기에는 가상 바퀴를 활성화하고 유기체가 올바른 방향으로 움직이거나 특정 속도로 이동하거나 다른 유기체를 피하거나 접근하도록 하는 ‘유전자’가 부여되었습니다.

일부 떼에서는 개인이 하나의 “게놈” 사본을 갖고 다른 집단에서는 두 개를 가졌습니다. 두 유형의 적합성을 테스트하기 위해 Van de Peer는 개인이 디지털 “음식”을 찾기 위해 그리드를 따라 얼마나 잘 움직이는지 평가했습니다. 하나의 게놈을 가진 사람들은 연구자들이 식량을 부족하게 만들 때까지 훨씬 더 잘했습니다. Van de Peer는 “그런 다음 배수체는 더욱 극단적인 행동을 보이기 시작했습니다.”라고 말했습니다. 그들은 더 큰 발걸음을 내디뎠고, 더 많은 음식을 찾았으며, 심지어 경쟁자들을 잡아먹기 위해 함께 일했습니다. 결국, 단일 게놈 떼는 멸종되었습니다. 그는 2019년 PLOS ONE에서 이 연구를 통해 “스트레스가 많은 환경에서 복제된 게놈을 갖는 것이 좋은 일이라는 것을 확인했습니다”라고 보고했습니다.

“그들이 이배체 버전을 능가할 수 있다는 사실은 일종의 놀라운 실험입니다.”라고 Soltis는 말합니다. “분명 무슨 일이 일어나고 있는 것 같아요.”

이제 Van de Peer는 자신이 무엇을 알고 있는지 믿습니다. 시뮬레이션의 유전자는 상호 작용 네트워크를 형성했으며 Van de Peer는 유전자가 두 배인 유기체에서 네트워크가 더 많은 연결로 연결된다는 것을 발견했습니다. 그들은 유기체가 더 빠르게 움직이고, 더 멀리 점프하고, 예상치 못한 움직임을 하거나 더 복잡한 방식으로 다른 유기체와 상호 작용하는 것을 가능하게 했습니다.

그와 다른 사람들은 살아있는 유기체에서도 비슷한 일이 일어날 가능성이 있다고 믿습니다. Fox는 “염색체가 더 많으므로 서로 상대적으로 유전자의 양을 미세 조정하기 위해 돌릴 수 있는 손잡이가 더 많습니다.”라고 설명합니다. 이는 특정 단백질의 양을 늘리고 다른 단백질의 양을 줄이며 유기체의 행동, 생리학 또는 화학을 변화시킬 수 있습니다. 배수체 종은 “환경이 그들에게 던지는 모든 것에 적응할 준비가 되어 있습니다”라고 Losick은 덧붙입니다.

예를 들어 이배체 유기체가 이미 잘 적응된 안정적인 환경에서는 이러한 미세 조정의 대부분이 필요하지 않을 수 있습니다. 그러나 공룡을 죽이는 소행성이 충돌하여 산불로 인한 연기로 지구를 어둡게 만들었을 때 배수체는 생존할 수 있는 다재다능함을 가졌을 것이라고 Van de Peer는 제안합니다. “일반적으로 전체 게놈 복제는 진화의 막다른 골목입니다.”라고 그는 결론을 내렸습니다. “그러나 적절한 시기에 발생한다면 진화의 기회를 창출할 수 있습니다.”

이 아이디어를 테스트하기 위해 Van de Peer와 동료들은 개구리밥( Spirodela polyrhiza ) 이라고 불리는 작은 수생 식물을 선택했습니다. 그들은 세포 분열을 방해하는 화학 물질에 노출해 일부 개인의 배수성을 유도합니다. 그런 다음 연구자들은 이배체와 배수체 버전을 나란히 성장시켜 높은 염도 또는 높은 농도의 중금속과 같은 스트레스에 어떻게 대처하는지 추적합니다. 배수체 식물은 더 탄력적인 것으로 판명되었다고 5월 회의에서 그는 보고했습니다. 곧 그의 팀은 여러 세대의 개구리밥 서열을 분석하고 유전자 활동을 평가하여 배수체와 이배체 사이의 유전자 조절 네트워크가 어떻게 다른지 확인할 것입니다.

피츠버그 대학의 진화 생태학자인 Tia-Lynn Ashman과 Martin Turcotte도 개구리밥 개체군의 배수성을 연구했습니다. 배수체 식물은 이배체 식물보다 더 천천히 자라는 경향이 있었고 개체군 크기도 더 작았습니다. 그러나 그들은 더욱 다양한 미생물 생태계를 지원했다고 Ashman은 회의에서 보고했습니다.

그것은 배수성의 또 다른 유익한 결과일 수 있습니다. 점점 더 많은 연구자가 유기체의 미생물군집이 유기체의 생존에 도움이 된다는 사실을 인식하고 있습니다. 따라서 더욱 다양한 미생물군이 존재하면 숙주가 더 많은 종류의 음식을 소화하거나 다른 방식으로 회복력을 향상할 수 있습니다. 증가한 다양성은 “전 지구적 규모에서 볼 수 있는 더 넓은 생태학적 범위의 배수체에 대한 메커니즘을 제공할 수 있습니다”라고 Ashman은 제안합니다.

확실한 것은 배수체 세포가 비정상과는 거리가 멀고 부상, 질병 및 적대적인 환경의 스트레스에 대처하기 위한 생명의 주요 메커니즘 중 하나라는 것입니다. 플로리다 자연사 박물관의 식물 진화 생물학자인 파멜라 솔티스(Pamela Soltis)는 회의에서 “전체 게놈 배가가 단순히 세포의 모든 것을 두 배로 늘리는 것이 아니라 독특한 생물학을 보고 있다는 사실이 점점 더 많이 인식되고 있습니다”라고 말합니다.

이러한 깨달음은 박사후 연구원의 높은 기대치를 회상하는 Losick을 기쁘게 합니다. 그녀는 “이 새로운 분야에 참여하게 되어 기쁘다”라며 “자랑스럽다”라고 말했습니다.