冬眠期間地松鼠如何防止肌肉流失？腸道菌群來幫忙

撰文｜617

責編｜酶美

許多動物在食物短缺和寒冷時會降低其新陳代謝，進入冬眠狀態，如廣泛分佈在北美草原上的

十三條紋地松鼠

（Ictidomys tridecemlineatus）。這種地松鼠會進行長達6個月左右的冬眠。

然而對於哺乳動物來說，長期不活動和禁食會促使身體分解肌肉蛋白來創造能量來源。這一過程被稱為肌肉萎縮，會產生銨，並進一步被轉化為尿素。由於高濃度的尿素對哺乳動物的神經元具有毒性，因此尿素通常隨尿液排出，從而造成身體不斷失去氮。而氮對於蛋白質和核苷酸的合成至關重要，所以在正常活動情況下，哺乳動物需要透過飲食不斷補充氮，而在冬眠情況下，哺乳動物是如何維持這一平衡的尚不清楚。

此前的研究已經表明，在冬眠期間，地松鼠的肌肉和活動能力幾乎沒有受到損害

【1】

，而且在冬眠的後期，地松鼠可以將其肌肉蛋白質合成率提高到活動季節的水平

【2】

。因此，有人猜測這種動物可以像反芻動物一樣，利用其腸道微生物進行尿素氮迴圈再利用（Urea nitrogen salvaging），從而維持體內氮平衡，保持蛋白質平衡。

1月28日，來自威斯康星大學麥迪遜分校的

Fariba M. Assadi-Porter

和

Hannah V. Carey

團隊在

Science

上線上發表題為

Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season

的文章。研究人員

利用穩定同位素和宏基因組測序等技術證實了上述猜測，即具有分解尿素能力的腸菌可以幫助十三條紋地松鼠回收利用氮，從而維持蛋白質的平衡。

為了驗證這一猜測，研究人員探究了3個時期的地松鼠：（1）夏季（活動季節）；（2）初冬（冬眠和禁食的第一個月）；（3）晚冬（冬眠和禁食的第3-4個月）。每個時期的地松鼠被分為2組，一組擁有正常的腸道菌群，另一組進行抗生素處理，以去除腸道菌群。

沒有被腎臟排出的尿素可以透過上皮細胞表達的尿素通道蛋白B（UT-B）被吸收到腸腔中，從而被微生物分解利用。因此作者首先檢測了血漿中尿素的含量和盲腸UT-B的含量。結果表明，與夏季相比，晚冬組地松鼠的血漿尿素含量顯著降低，UT-B含量顯著升高，提示血液中尿素的降低可能一定程度上是由吸收到腸道中的尿素增加所造成的。

進一步，為了檢測微生物分解尿素的活性，研究人員給地松鼠腹腔注射了13C，15N標記的尿素，並進行了尿素呼吸試驗。由於脊椎動物缺乏脲酶，因此在注射同位素標記的尿素後，如果撥出氣體中13CO2：12CO2（δ13C）值逐步升高，則表明微生物具備分解尿素的能力。結果顯示，注射尿素後，擁有完整腸道菌群的地松鼠撥出氣體中的δ13C逐步升高，而抗生素處理後的地松鼠無明顯變化，說明地松鼠的腸道菌群具備分解尿素的活性。

接著，研究人員對地松鼠的腸道菌群進行了分析，發現與夏季相比，冬眠期間地松鼠的腸道菌群中脲酶基因相對丰度更高。並且，擁有脲酶基因的Alistitis屬在冬眠期間富集。

由於只有當微生物將尿素分解為氨基酸、氨等含氮化合物時，宿主才能受益。因此，研究人員使用核磁共振技術探究了盲腸和肝臟的代謝組。結果發現，與抗生素處理後的地松鼠相比，具有完整腸道菌群的地松鼠的盲腸和肝臟中具有更多15N代謝物，並且這類代謝物的變化趨勢也具有季節性。

最後，研究人員利用同位素質譜法發現，擁有完整腸道菌群的地松鼠中，15N被用於合成肝臟和肌肉所需蛋白，而在缺乏腸道菌群的地松鼠中卻沒有發生這一現象。而且，晚冬組地松鼠肝臟和肌肉中15N蛋白的丰度是夏天組的2-3倍。

綜上，該研究表明，

地松鼠可以利用其腸道微生物進行尿素氮迴圈再利用，從而保證蛋白質的平衡。

這一機制為冬眠動物提供了2大好處：（1）當缺乏飲食來源的氮時，這一機制可以增強蛋白質的合成，這對於冬眠後期即將進入繁殖季節的地松鼠尤為重要，可能會帶來繁殖優勢；（2）尿素氮迴圈可以將尿素從腎臟中轉移，減少尿液產生所需的水，從而保護冬眠動物。

值得一提的是，同期，

Science

雜誌還發表了

Felix Sommer

和

Fredrik Bckhed

教授對該研究的評論文章

Staying strong during hibernation

，

提出這一機制可能有助於開發全新的肌肉萎縮症療法。

原文連結：

http://doi.org/10.1126/science.abh2950

參考文獻

1。 Y。-F。 Gao et al。， Comp。 Biochem。

Physiol. A Mol. Integr. Physiol.

161， 296–300 （2012）。

2。 A。 G。 Hindle et al。，

J. Exp. Biol.

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