Science：不吃不喝不運動，冬眠動物的肌肉為何不萎縮？

　　冬眠是一種生物學現象，是對季節性食物短缺的一種適應，為了在沒有食物的情況下度過漫長的冬天，冬眠動物（如地松鼠）可以減緩高達 99% 的新陳代謝，在沒有任何膳食蛋白質攝入和運動的狀態下，但它們仍然需要蛋白質等重要營養物質來維持肌肉。

　　近日， 美國威斯康星大學麥迪遜分校研究團隊在Science上發表了一篇題為Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season的論著，這項新研究揭示了腸道微生物如何幫助冬眠動物循環營養，維持肌肉過冬。

　　任何動物，不運動的時間越長，骨骼和肌肉就會開始萎縮，失去質量和功能。由于沒有任何膳食蛋白質攝入，冬眠者就需要通過另一種方式來獲得肌肉所需的物質。

　　動物體內的氮來源于蛋白質，它以尿素的形式積累于所有動物體內，而尿素是尿液的成分之一。盡管食物缺氮且長時間不活動，但冬眠的動物在冬季肌肉蛋白質合成率可以達到非冬眠期間水平，幾乎沒有失去肌肉質量和功能。他們在冬眠期間如何保存組織蛋白質，其中的機制尚不明了。

　　研究人員已經知道，進入地松鼠消化道的尿素可能會被一些腸道微生物分解，這些微生物也需要氮來合成自身蛋白質，但微生物釋放出的部分尿素氮是否也被并入了地松鼠體內還不清楚。

　　在該研究中，他們用三組季節性地松鼠進行了驗證：夏季（活動）、初冬（冬眠和禁食 1 個月）和冬末（冬眠和禁食 3～4 個月），使用同位素呼吸分析測量體內微生物的尿素分解活性，由于脊椎動物缺乏尿素酶，以未標記的尿素作為對照，將13C，15N-尿素注射到地松鼠（微生物組完整）的腹腔后，平均呼吸 δ13C 在微生物組中增加（圖 A、B、C），從而證實了微生物的尿素分解活性。

　　其中，夏季地松鼠的尿素分解活性最大（圖 D），微生物尿素分解在整個冬眠過程中持續進行。在七個脲酶相關基因（圖 F）中，冬眠地松鼠的宏基因組趨向于脲酶基因的百分比高于夏季地松鼠（圖 E）。這表明在冬眠期間，有更多的微生物具備水解尿素的潛力。

　　本研究的通訊作者之一，威斯康星大學麥迪遜分校的生物化學家Fariba M. Assadi-Porter表示：「我們將氮追蹤到（地松鼠的）肝臟，在這里氮主要被用來合成許多蛋白質，還有一些用來維持肌肉。」被同位素標記的氮從宿主進入微生物群，被微生物轉化為有用的分子，然后再次回到宿主體內，實質上是在冬眠動物體內被「循環」。

　　對于微生物的「循環」途徑，研究人員觀察到了支持這一途徑的兩個證據。當地松鼠的腸道微生物被抗生素耗竭時，在肝臟和肌肉中可追蹤氮要少很多；研究人員在對地松鼠腸道微生物基因組進行測序時，發現隨著冬眠時間的延長，與脲酶相關的基因有所增加。

　　另外，尿素氮循環為冬眠者提供了兩個主要好處：

　　首先，在缺乏氮的情況下，尿素氮能促進蛋白質的合成，尤其是在冬眠后期，也就是地松鼠進入繁殖季節之前。通過促進蛋白質合成和隨后的組織功能，這一過程可能會帶來生殖優勢。

　　其次，尿素氮回收可以將尿素從腎臟轉移，來增強冬眠者的水分保護，從而減少尿液產生所需的水。

　　通訊作者Carey還說道：「只有表達脲酶的微生物才能分解尿素并釋放其氮，從而幫助宿主們度過冬眠季節」。

　　本研究結果證明了腸道微生物群在冬眠季節發揮了功能作用，了解冬眠者在嚴重缺氮情況下維持蛋白質平衡和減輕肌肉損耗的機制，可能會為人類的肌肉維持策略提供參考。

　　該研究的第一作者，蒙特利爾大學動物生理學教授Matthew Regan表示：「在太空中，微重力必然會導致肌肉萎縮，而從理論上講，冬眠過程可以降低太空中的肌肉損失率。如果轉化到人類身上，類冬眠狀態就有可能同時解決人類航天的諸多挑戰。」

　　因此，這一發現可以幫助患有肌肉萎縮障礙的人，甚至可以幫助宇航員們進行更長時間的太空旅行，讓宇航員們進入類冬眠狀態，從而不再需要攝入過多的食物、水和氧氣，產生的廢物和二氧化碳也會更少，從而減輕重量以及節省大量燃料。

　　參考資料：

　　1. https://dx.doi.org/10.1126/science.abh2950

　　2. https://www.eurekalert.org/news-releases/941035?