Почему животные не теряют вес во время спячки?

Кишечные микробы этого спящего суслика перерабатывают азот из мочевины в свои собственные метаболиты, позволяя поддерживать белковый баланс в организме.

У млекопитающих длительное бездействие и голодание, например, во время спячки, побуждают организм расщеплять мышечные белки для создания источника энергии. Этот процесс, истощая мышечную массу, приводит к образованию аммония, который в дальнейшем превращается в мочевину. Поскольку высокие концентрации мочевины токсичны для нейронов у млекопитающих, она обычно выводится с мочой. В результате организм постоянно теряет азот в виде аммония и нуждается в его восполнении за счет поступления с пищей, поскольку азот необходим для синтеза белков и нуклеотидов. Из-за отсутствия регулярного приема пищи было непонятно, как млекопитающие сохраняют свои физиологические функции во время спячки.

Гибернация — это энергосберегающая адаптация, которая включает в себя глубокое подавление физической активности, которая может продолжаться в течение 6-8 месяцев в экстремальных сезонных условиях. В то время, как неподвижность приводит к потере мышечной массы у большинства видов млекопитающих, напротив, спящие медведи и суслики демонстрируют ограниченную мышечную атрофию в течение длительных периодов бездействия в течение зимы, что позволяет предположить, что у спящих млекопитающих есть адаптивные механизмы для предотвращения мышечной атрофии.

«Спящий режим» эволюционировал для преодоления сезонных перепадов температур, которые особенно сложны для выживания. Несмотря на эту защитную функцию, гибернация создает свои проблемы из-за продолжительного периода голодания. Одним из особенно сложных аспектов является недостаток азота в рационе, что может привести к белковому дисбалансу.

Мы все нуждаемся в отдыхе, но слишком много безделья может тяжело сказаться на нашем организме. Человек можем потерять до 14% мышечной массы, будучи прикованными к постели всего на 10 дней. Однако спящие животные — это совсем другая история. Арктическим сусликам (Urocitellus parryii) удается сохранить мышечную массу в конце зимнего сна, даже без еды.

Бактерии в кишечнике помогают животным, во время гибернации, предотвращать токсичность аммиака, чтобы обеспечить оксидом азота ткани и органы — было доказано, что кишечные микробы, во время зимней спячки, являются основным компонентов в этом процессе.

Это действительно захватывающее исследование, которое четко показывает роль микробов, — говорит Келли Дрю, эксперт по метаболизму спящих животных из Университета Аляски Фэрбенкс, который не принимал участия в работе. Возможность использования микробиома для лечения мышечной атрофии у людей кажется достижимой, говорит Дрю.

Чтобы выяснить, как спящие суслики поддерживают свои мышцы, исследователи из Университета Висконсина (UW) в Мэдисоне исследовали роль химического вещества, называемого мочевиной. Организм нуждается в оксиде азота для наращивания мышечных тканей, который обычно поступает с пищей. Предыдущие исследования показали, что зимующие суслики получают азот из мочевины. Однако, как они это делали, до сих пор не было ясно.

В отсутствие потребления питательных веществ или физической активности организм арктических сусликов координирует метаболические пути, которые поддерживают поступление аминокислот и предотвращают токсичность аммиака во время гибернации.

Поэтому команда вводила сусликам мочевину, содержащую азот, которую можно было отследить по всему телу. Часть меченого азота попадала в печень, кишечник и мышечные ткани. Но когда исследователи использовали антибиотики, чтобы ослабить микробиом кишечника, возникли проблемы: в кишечник, печень и мышцы поступало меньше меченого азота, чем в случае со здоровым микробиомом. Таким образом, суслики полагаются на кишечные микробы, переваривающие мочевину, чтобы получать азот, необходимый им для наращивания мышечной массы во время зимней спячки.

Когда животное впадает в спячку, его кишечные микробы также теряют доступ к нормальной пище. Ученые обнаружили, что микробы в спящих сусликах реагировали, увеличивая свою способность перерабатывать мочевину, становясь более активными в процессе гибернации, транспортируя больше мочевины в кишечник. Микробиом сохраняет для себя большую часть переработанного азота, но также выделяет некоторое количество для поглощения и дальнейшего использования в органах и тканях.

Микробы, живущие в кишечнике человека, вероятно, также могут перерабатывать мочевину, говорит Фариба Ассади-Портер, биолог из Вашингтонского университета и соавтор исследования. Несмотря на то, что мы не впадаем в спячку, проблемы с мышцами у людей имеют разносторонний характер. По ее словам, лучше понимая, как микробы запасаются мочевиной, исследователи могут однажды разработать методы лечения, повышающие способность микробиома человека предотвращать истощение мышц.

Результаты исследования раскрывают функциональную роль кишечного микробиома во время гибернации и предполагают механизмы, с помощью которых рециркуляция азота мочевины может способствовать белковому балансу и у других животных с однокамерным желудком.

Ссылки на исследования в тексте материала.