Dr. Simon Horvat

»Debelost je nadpovprečno odvisna od genskega zapisa, celo bolj kot od okolja.«

Dr. Horvat je razpet med dve službi. Je profesor na oddelku za zootehniko ljubljanske Biotehniške fakultete in raziskovalec v laboratoriju za biotehnologijo na Kemijskem inštitutu. Dobršen del svoje raziskovalne kariere je posvetil preučevanju genetskih temeljev debelosti, ki iz leta v leto postaja hujše breme za razviti svet. Pri svojem delu je kritično odvisen od svojih raziskovalnih partnerjev – laboratorijskih miši, ki jih je rešil pred pozabo in jih iz Škotske pripeljal v Slovenijo.

Javnost ga je prvič pobliže spoznala pred štirimi leti, ob odkritju novega gena, ki pripomore k razvoju debelosti. Nedavno pa mu je ob pomoči sodelavcev in kolegov z Univerze v Edinburgu uspelo najpomembnejše odkritje doslej – našli so gen, ki pomembno vpliva na delovanje maščobnega tkiva in porabo maščob kot vira energije v telesu in s tem na vitkost. Še več, njihovo odkritje odpira potencialne nove načine za zdravljenje diabetesa tipa 2, bolezni, katere porast je neločljivo povezana z epidemijo debelosti.

Kako to, da ste se odločili za raziskovanje genetike debelosti?

Po doktoratu sem pet let delal na inštitutu Roslin na Škotskem, kjer so imeli laboratorijske miši, ki so jih že 30 let načrtno odbirali na vitke in debele, da bi videli, koliko je debelost sploh genetsko pogojena. In kot se je izkazalo, je genetski vpliv izredno velik. Brez vpliva genetike bi morali biti potomci teh miši povprečno zamaščeni, izkazalo pa se je, da so potomci vitkih staršev postajali vse vitkejši, potomci debelih pa vse debelejši.

In nekaj teh miši ste potem prinesli s seboj ob vrnitvi v Slovenijo?

Dejansko so pred mojim odhodom razmišljali o prekinitvi vzdrževanja mišje populacije, načrtovali so zgolj zamrznitev zarodkov za morebitne poznejše aplikacije. Zato sem se takoj javil, da jih vzamem s seboj v Slovenijo. To je pomenilo precejšen problem. Adria sprva ni dovolila prevoza živali, Slovenija ni bila članica schengenskega območja. A nam je na koncu vendarle uspelo in danes imamo v svetovnem merilu edinstveno mišjo populacijo. Njeno vzdrževanje sicer ni enostavno, saj tako ekstremna debelost kot ekstremna vitkost lahko vpliva na slabšo sposobnost razmnoževanja, a za zdaj nam še kar uspeva.

Kolikšno populacijo miši vzdržujete?

To je zelo odvisno od raziskovalnih nalog. Za normalno vzdrževanje populacije običajno vzrejamo dva ali tri pare miši, za poskuse genetskega križanja, s katerim smo potrdili obstoj gena za vitkost, pa smo imeli več kot 500 miši, saj smo potrebovali statistično zanesljive rezultate, to pa je mogoče doseči zgolj z velikim številom meritev v drugi generaciji križanj.

Geni, ki so bili evolucijsko dolgo časa ključni, da smo lahko kalorije shranjevali v obdobjih obilja in preživeli obdobja pomanjkanja, so danes, ko je potrebne vse manj fizične aktivnosti, nenehno pa je na voljo obilica poceni kalorij, lahko hudo breme.

Se navežete na miši? Imajo imena?

Imen nimajo, imajo številke za ustrezno vodenje evidenc. Vsekakor se do določene mere navežemo nanje, sploh skrbniki, ki so z njimi vsak dan. Razvije se nekakšen spoštljiv odnos, jemljemo jih bolj kot raziskovalne partnerje, ne pa kot raziskovalni objekt.

Koliko časa je minilo od prvega znaka, da ste odkrili nekaj zanimivega, do objave članka o genu za vitkost?

Raziskovalna zgodba, ki je popisana v našem članku v reviji Nature Medicine, se je začela leta 2010. Prve namige v to smer pa smo na podlagi genetskih analiz zaznali še kakšnih pet let prej. Pravzaprav ne vem, zakaj nismo znanstveniki v to smer šli že prej. Genetske raziskave debelosti se praviloma osredotočajo na preučevanje genetskih lastnosti debelih osebkov, ki jih primerjajo z osebki s povprečno zamaščenostjo. Mi pa smo edini, ki imamo za preučevanje na voljo tudi drugo skrajnost – ekstremno vitkost.

Odkritih genov, povezanih z razvojem debelosti, je več kot petdeset. Je pri genih za vitkost tudi takšna gneča?

Ni jih veliko, lahko celo trdimo, da je »naš« gen edini, ki je povezan z »zdravo« vitkostjo. Znani so geni, ki povzročajo bolezensko vitkost, razgradnjo maščobnega tkiva, hiranje, težko pa je reči, da so to geni za vitkost. Enostavno je bila doslej večina prizadevanj na tem področju usmerjena v preučevanje populacije debelih, k temu pa je, kot sem omenil, pripomoglo tudi pomanjkanje živalskih populacij vitkosti.

Torej gre za nekakšno pionirsko odkritje?

Da. Zato smo ga tudi lahko objavili v tako ugledni znanstveni reviji, ki je prva na področju eksperimentalne medicine. Odprli smo neko novo področje raziskovanja.

Na kakšen način sploh določate gene, ki so pomembni pri razvoju debelosti ali vitkosti?

Začeli smo z dvema populacijskima linijama miši, debelo in vitko. Vedeli smo, da morajo med debelimi in vitkimi mišmi obstajati genetske razlike. A določiti njihovo lokacijo v genomu, najti prave gene izmed 20 ali 30 tisočih, je težko. Zato smo križali debelo in vitko linijo, nato pa še njihove potomce, potem pa opazovali, kako se razlike v njihovem genetskem zapisu na tisočih lokacijah v genomu odražajo v morebitnih razlikah parametrov vitkosti. Genetski pristop je zelo nepristranski. Nikoli ne vemo, kaj bomo našli, raziskovalno delo nas »samo« pripelje do odkritja novega gena, ki še nikoli doslej ni bil povezan s preučevano lastnostjo.

Potrdili ste tudi prisotnost gena v človeškem maščobnem tkivu. Kako vam je to uspelo?

Človeško maščobno tkivo je sicer zelo težko dobiti. Maščobno tkivo debelih ljudi niti ni tako velika ovira, saj se velikokrat odločajo za različne posege za odstranjevanje odvečne maščobe. Večji problem pa je dobiti maščobne vzorce vitkih ljudi. Našli smo jih na Islandiji, kjer je velik del populacije daroval svoje biološke vzorce v raziskovalne namene. In res se je zelo lepo pokazalo, da je prisotnost gena v maščobnem tkivu vitkih ljudi največja in da pada sorazmerno z naraščanjem indeksa telesne mase.

Je bila ta dimenzija raziskave odločilna za to, da vam je uspela objava v reviji Nature Medicine?

Postopek objave je trajal poltretje leto. Še preden smo dodali izsledke raziskav na človeškem tkivu, smo članek poslali naravnost na revijo Nature, torej krovno splošno znanstveno revijo. In članek je šel skozi dva kroga recenzij, kar kaže na to, da so našo študijo tudi tam obravnavali kot prebojno. In dva od treh recenzentov sta nam bila zelo naklonjena, eden pa ni in ni hotel verjeti naših izsledkom, zaradi česar tudi od urednika nismo dobili zelene luči. Nato smo poskušali pri reviji Science, pa tudi nismo prišli do konca recenzijskega postopka.

Vas je teplo, ker kot glavni avtor študije prihajate iz Slovenije?

Deloma se je to videlo tudi iz njihovega načina komunikacije. Enostavno ne uživamo enakega zaupanja, kot če bi na primer prihajali z Oxforda ali Harvarda.

Kako si sploh predstavljate uporabo vaših ugotovitev za potencialno zdravljenje diabetesa pri ljudeh?

Zanimivo je, da ima lahko majhno povišanje prisotnosti enega samega gena v perifernem tkivu, kakršno je maščobno tkivo, tako velik vpliv na potek diabetesa. To me navdaja z optimizmom. Zelo pomembno se mi zdi, da lahko s potencialnim zdravilom zaobidemo regulacijo centralnega živčnega sistema. Z zdravili, ki bi z delovanjem na možgane recimo zniževala apetit, je zelo težko doseči učinkovitost brez resnih stranskih učinkov. Na možgane enostavno še ne znamo vplivati dovolj ciljno. Maščobno tkivo je mnogo bolj dostopno. Odpira se kar nekaj možnih dostavnih poti, s pomočjo sodobne genske tehnologije pa bi lahko ne nazadnje vplivali tudi na povišano izražanje gena, ne da bi zato morali spreminjati genski zapis. Imamo kar nekaj zamisli, več pa v tem trenutku ne morem povedati.

Genetske študije debelosti se praviloma osredotočajo na preučevanje genetskih lastnosti debelih osebkov. Mi pa smo edini, ki imamo za preučevanje na voljo tudi drugo skrajnost – ekstremno vitkost.

Zanimivo je, da je encim, za proizvodnjo katerega je odgovoren odkriti gen, poznan že dolgo časa, le da ga doslej niso povezovali z razvojem debelosti in diabetesa.

Dejansko je že 80 let znano, da je ta encim v naših telesih ključen za razstrupljanje sicer zelo močnega strupa, cianida. Temu strupu smo v izjemno majhnih količinah nenehno izpostavljeni, na primer prek določenih vrst hrane, cigaretnega dima … Zdravniki za detoksifikacijo pri zastrupitvah s cianidom že dolgo časa uporabljajo tiosulfat v obliki soli, ki ga pri akutnih zastrupitvah vbrizgajo v žilo. Ta poveča aktivnost encima ter tako spodbudi razpad cianida na neškodljive snovi, ki se hitro izločijo z urinom. Nas je zanimalo, ali lahko z aktivacijo encima pri miših z diabetesom na enak način dosežemo kakšno izboljšanje stanja bolezni. Tako smo jim v vodo dodajali tiosulfat in jih opazovali. Učinki so bili po mesecu in pol očitni ter zelo spodbudni.

Brez stranskih učinkov?

Pri miših kakšnih posebnih stranskih učinkov nismo opazili, seveda pa to še nič ne pove o potencialnih neželenih učinkih dolgoročne rabe tiosulfata pri ljudeh. Potrebni so dokaj visoki odmerki, ki jih je treba jemati precej dolgo časa. Vsekakor je treba zadevo pred uporabo pri ljudeh še temeljito preučiti in morda poiskati tudi kakšno bolj tarčno učinkovino ali drugačen pristop terapije, ki bi vplivala izključno na gen v maščobnem tkivu. Se pa vsi nadejamo, da se ponuja realna možnost za razvoj neke nove terapije.

Če stimulacija encima povzroči večje trošenje energije iz maščobnega tkiva, si ni težko predstavljati napitka, ki ga popijemo pred rekreacijo in z njegovo pomočjo učinkovito »skurimo« maščobe.

Ne bi me čudilo, če bi novi učinkovitejši in varni stimulatorji encima povzročili tudi tovrstne učinke. Sicer ste omenili rekreacijo – v odsotnosti »čudežnih« zdravil za hujšanje in diabetes sta redna telesna vadba in zdrava prehrana še vedno enostavnejši in učinkovitejši za uravnoteženje porabe energije z vnosom. Res pa je, da so med nami ljudje, ki so genetsko bolj nagnjeni k debelosti ter sladkorni bolezni tipa 2 in so lahko hudo bolni – tem morajo bazična znanost in klinične aplikacije, ki izhajajo iz temeljnih odkritij, najprej pomagati. Zanimivo je, da odkriti gen deluje specifično v maščobnem tkivu, in sicer v organelu celice, imenovanem mitohondrij, ki proizvaja energijo za delovanje celice. Tik pred drugo svetovno vojno je že bilo v uporabi zdravilo za hujšanje DNP, ki so ga oglaševali kot sredstvo za »kurjenje« maščob, saj je povečalo proizvodnjo toplote v telesu in s tem porabo energije. Ljudje so postali nekakšni »radiatorji«. Pri nekaterih so bili učinki izjemni. Nekaj pa jih je umrlo. Njihova telesna temperatura je tako narasla, da je okvarila druge telesne funkcije. Tudi pri razvoju morebitnih zdravil na podlagi njihovega delovanja v mitohondrijih bo treba podrobno preučiti fiziologijo delovanja zdravil za njihovo učinkovito in varno uporabo.

Ste v okviru raziskave pregledali tudi vzorec svojega maščobnega tkiva?

Nisem. So pa po objavi raziskave v stik z menoj stopili številni ljudje, tako zelo debeli kot zelo vitki, ki so izrazili pripravljenost na sodelovanje v morebitnih nadaljnjih raziskavah, oglasilo se mi je tudi nekaj zdravnikov.

Kako pomemben je sploh vpliv genetike pri razvoju debelosti?

Debelost je glede na znanstvene izsledke nadpovprečno odvisna od genskega zapisa, celo bolj kot od okolja. Razlike med ljudmi je mogoče v 40 do 60 odstotkih pripisati genetskim vplivom. To potrjujejo tudi raziskave enojajčnih in dvojajčnih dvojčkov, ki veljajo za zlati standard preučevanja vpliva genetike na razvoj določenih lastnosti. Tako enojajčni kot dvojajčni dvojčki namreč odraščajo v enakem okolju, pri čemer pa sta genska zapisa enojajčnih dvojčkov praktično identična, pri dvojajčnih dvojčkih pa ne. In pokaže se, da so razlike v telesni masi med dvojajčnimi dvojčki mnogo večje. Ne nazadnje pa že naša linija miši, ki so jo začeli v Edinburgu, kaže na velik vpliv genetike na debelost. Sicer se ne bi moglo zgoditi, da bi iz populacije, ki je imela v začetku od 10 do 12 odstotkov telesne maščobe, v istem okolju nastali dve populaciji, pri kateri ima ena v povprečju 25-odstotno, ena pa zgolj 4-odstotno zamaščenost.

Kako to, da je človeška vrsta tako nagnjena k debelosti?

Geni, ki so bili evolucijsko dolgo časa ključni, da smo lahko kalorije shranjevali v obdobjih obilja in tako preživeli obdobja pomanjkanja, so v obdobju, ko je potrebne vse manj fizične aktivnosti, nenehno pa je na voljo obilica poceni kalorij, lahko hudo breme. Naši daljni predniki so morali za iskanje hrane porabiti veliko energije, niso živeli v toplih stanovanjih, kar je povečalo toplotne izgube. Varčnost je bila v tistem obdobju ključna za preživetje in nadaljnji razplod.

Je mogoče pričakovati, da bo evolucija, če se bo obdobje izobilja nadaljevalo, gene za debelost postopno izrinila iz populacije?

Ljudje se glede vpliva naravne selekcije ne moremo več povsem enačiti z drugimi živimi bitji. Po zaslugi medicine in tudi naših socialnokulturnih posebnosti ohranjamo številne lastnosti, ki bi jih sicer izločila naravna selekcija. Debelost se velikokrat razvije šele po nastopu reproduktivne dobe, ko človek že ima potomce, zato je vpliv naravne selekcije na izločanje genskih različic, ki povečajo nagnjenost k debelosti, manjši. Res pa je, da je ekstremna debelost že v otroštvu povezana z reproduktivnimi motnjami. Hujša ko je genetska mutacija, ki povzroča debelost, manj možnosti je za njen nadaljnji obstoj v populaciji.

Polovično ste še vedno zaposleni na oddelku za zootehniko Biotehniške fakultete. Ali to pomeni, da se vaše raziskave o genetiki debelosti nanašajo tudi na morebitno uporabo pri živalih?

Res je. Pred kratkim smo objavili članek o vplivu enega od genov za debelost, ki se je v človeški populaciji izkazal za enega najpomembnejših, na zamaščenost slovenske populacije lisastega in rjavega goveda. Potrošniki vse bolj zahtevajo manj mastno meso, živali z večjimi zalogami maščobe pa tudi pojedo več hrane, zaradi česar je njihova vzreja manj ekonomična. Iščemo genetske označevalce, s pomočjo katerih bi lahko učinkoviteje selekcionirali starše naslednje generacije rejnih živali. Sploh pri govedu se vedno bolj uveljavlja tako imenovana genomska selekcija, pri kateri pred določitvijo živali za razplod pregledajo njihove genetske zapise. Izbira lastnosti s pomočjo klasične selekcije na podlagi fenotipa, torej fizičnih lastnosti, je lahko omejena. Na primer, očetje – biki – so recimo izredno pomembni za mlečnost njihovih potomk, vendar pa je njihov genetski mlečni potencial mogoče preveriti šele takrat, ko njihove potomke dosežejo reproduktivno starost in zaključijo vsaj prvo laktacijo. To pa lahko traja leta. Genomska selekcija potrebo po večletnem čakanju odpravi, kar seveda pomeni hitrejši napredek in manj stroškov, to pa je pomembno seveda tudi v širšem, globalnem kontekstu podhranjenosti v revnih predelih sveta, kamor bo, kot se že dogaja, Zahod po lastnem potrošniškem zgledu želel izvoziti čim več poceni slabih kalorij.

Je vaše odkritje gena za vitkost potencialno uporabno tudi pri živalih?

Morda. Je pa treba biti previden. Pri rejnih živalih si ne želimo vitkosti na račun večje potrošnje energije, saj bi to pomenilo potrebo po večjih količinah krme. Zato bo treba učinke genetske raznovrstnosti gena na te lastnosti pri rejnih živali prav tako še temeljito preučiti.

Ali je v živalski populaciji v naravi mogoče najti kakšen primer debelosti, prekomerne zamaščenosti?

Pri hibernatorjih, živalih, ki prakticirajo zimsko spanje, lahko pred začetkom zimskega spanja opazimo izjemen odstotek telesne maščobe. Tudi divji prašiči imajo lahko jeseni do 60-odstotno zamaščenost telesa. A v tem primeru ne gre za kronično stanje in zamaščenost tudi ne vodi v razvoj kakršnihkoli bolezni. Živali te zaloge potrebujejo za preživetje čez zimo. Kakršnokoli nefunkcionalno ekstremno debelost bi naravna selekcija gotovo izločala. Pri družnih živalih pa je seveda problem enak kot pri ljudeh. Psi tudi zbolevajo za debelostjo in diabetesom. Se pa tudi pri tem pozna vpliv genetike. Nekatere pasme so mnogo bolj nagnjene k razvoju debelosti kot druge pri enakih okoljskih dejavnikih.

Človeško maščobno tkivo je zelo težko dobiti. Maščobno tkivo debelih ljudi niti ni tako velika ovira, saj se velikokrat odločajo za različne posege za odstranjevanje odvečne maščobe. Večji problem pa je dobiti vzorce vitkih ljudi.

Kemijski inštitut se je v zadnjih letih uveljavil kot ena osrednjih znanstvenih institucij, ki tudi največ vlaga v promocijo dosežkov njegovih znanstvenikov. Kako ste pristali tam?

Doktoriral sem na Univerzi Davis v Kaliforniji, zatem pa sem bil še pet let podoktorski raziskovalec na inštitutu Roslin. Ko sem se vrnil v Slovenijo, sem postal asistent in sem imel veliko pedagoških in administrativnih obveznosti, zmanjkovalo mi je časa za raziskovanje, kapital, ki sem ga pridobil v enajstih letih dela v tujini, pa se je začel izgubljati. Preprosto mi ni več uspelo slediti napredku. Raziskovanje je kot šport – treba je vzdrževati kondicijo. Roman Jerala s Kemijskega inštituta me je leta 2008 povabil k sodelovanju pri mednarodnem študentskem tekmovanju iz sintezne biologije iGEM, nato pa mi tudi ponudil možnost polovične zaposlitve v njegovem laboratoriju. Tako sem se znova vrnil v raziskovalno okolje in začel tudi pogosteje objavljati svoje izsledke v uglednejših znanstvenih publikacijah.

Kako to, da niste ostali v tujini?

V tujino nisem šel z namenom, da bi tam ostal. Odšel sem, ker v Sloveniji oziroma takrat še v Jugoslaviji ni bilo študijskih programov s področja genetike, ki bi mi ustrezali. Je pa res, da sem imel ob vrnitvi kar nekaj težav s privajanjem na tukajšnji sistem dela. Vse skupaj je veliko manj dinamično, bolj togo, denar, ki je na voljo, se razporeja bližje principu uravnilovke kot pa vrhunskosti, in to ne samo na mojem področju. Od profesorja na naši univerzi se pričakuje bistveno več poučevanja kot v tujini, tam imajo mnogo več časa za raziskovanje, ostajanje v stiku z napredkom v znanosti pa je temelj pedagoške delovne pogodbe.