冬眠动物如何克服肌肉萎缩:科学研究发现,靠的居然是“肠子”

2022/2/7 14:28:54 来源:量子位 作者:行早 责编:汪淼

由于缺乏规律的食物摄入,哺乳动物如何在冬眠期间维持生理功能一直是个谜。

虽然它们可以通过贴秋膘,慢代谢的方式节约能量,但这还是不够。更糟糕的是,冬眠导致长时间无法活动,再加上饥饿,会促使身体分解肌肉蛋白以产生能量。

而一旦肌肉蛋白被分解,肌肉萎缩也就在所难免。

那冬眠动物是如何克服这个障碍的呢?Science 上最新刊登的一项研究揭示了其中的奥妙。

锁定氮元素流失

在肌肉蛋白被分解这个问题上,最核心的损失是氮元素的流失。

用蛋白质提供能量的同时会有副产物铵离子生成,而铵离子会进一步转化为尿素。由于高浓度的尿素对哺乳动物的神经元有毒,因此通常随尿液排出体外。如果任由这种流失进行下去,冬眠是难以为继的。

对于这个问题,以松鼠为例,学术界有两种说法。

  • 一种是松鼠自身具有特殊的循环机制,可以从尿素中回收氮元素。

  • 另一种说法是肠道的微生物可以帮助松鼠固氮。

多说无益,实践才能出真知。

于是,蒙特利尔大学的 Regan 和同事们设计了一组实验,以验证肠道微生物的重要性。

肠道微生物立大功

实验共使用了 47 只十三条纹地松鼠。研究人员将他们按季节分为三组,分别是夏季、初冬和晚冬。

他们的主要思路是模拟不同的季节环境,对比正常活动的松鼠和冬眠松鼠的各类生物指标,并用同位素标记法测量它们的尿素代谢情况。

为了对照出肠道微生物的作用,研究人员还给实验组注射了抗生素,来清除肠道的微生物菌群。

结果发现(下图纵轴代表尿素浓度),肠道微生物完整的一组(Intact)尿素浓度很低,而清除肠道微生物的一组(Depleted)尿素浓度很高。

不仅如此,松鼠的盲肠中也含有丰富的碳 13 代谢产物,这表明微生物已经将尿素中的碳和氮循环到自己体内代谢,再由松鼠吸收。

而且从下图中可以看出,冬眠期间,肠道微生物代谢释放的尿素碳比例高于夏季

(下图中纵轴代表盲肠内容物丰度,实心条代表肠道微生物完整,空心条代表肠道微生物被清除。实心条上面一格代表微生物释放尿素碳的比例)

研究人员还进行了其他实验,表明了松鼠在长时间禁食后,尿素氮的再循环达到最大。并且此时肠道中的尿素转运蛋白丰度和微生物组中的尿素酶基因丰度也最高。

这些结果都揭示了冬眠期间肠道微生物发挥的作用。

或许后续的研究可以将这些肠道微生物分离出来,移植到其他物种中,帮助解决类似的尿素代谢和氮循环问题,帮助肌肉萎缩患者找到希望。

参考链接:

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn6187

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2950

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关键词:冬眠Science

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