Микробиом кишечника сохраняет сусликам мышцы во время зимней спячки

Животные, впадающие в зимнюю спячку (иначе — гибернацию), не едят и не пьют несколько месяцев. В это время их обмен веществ замедляется почти на 99%. При этом суслики, спящие иногда дольше шести месяцев в год, практически не теряют мышечную массу. Значит, они достраивают свои мышцы и во время гибернации.

Ученые из Висконсинского университета в Мадисоне выяснили, как это происходит. Они исследовали метаболизм тринадцатиполосных сусликов (Ictidomys tridecemlineatus) во время зимней спячки и подтвердили гипотезу «утилизации азота мочевины», появившуюся в 1980-х годах.

Согласно этой гипотезе, животные, впадающие в зимнюю спячку, используют свой кишечный микробиом для получения «сырья» для синтеза белков. Это сырье — азот. Обычно животные берут его из пищи, но во время гибернации это невозможно. Зато азот могут получать кишечные бактерии, ведь им он тоже нужен для построения белков. Бактерии перерабатывают мочевину — конечный продукт метаболизма белка у млекопитающих. Мочевина выводится с мочой, но, как показали авторы новой работы, не вся.

Исследователи ввели в кровь сусликов мочевину, в составе которой углерод (C) и азот (N) заменили на стабильные изотопы — ¹²C на ¹³C, а ¹⁴N на ¹⁵N. Это позволило проследить судьбу таких атомов в организме сусликов.

Оказалось, часть мочевины из крови через эпителиальные транспортеры мочевины попадает в просвет кишечника. Там в присутствии микроорганизмов, экспрессирующих уреазу, она расщепляется до аммиака и CO2. Аммиак в печени включается в состав аминокислот, из которых потом строятся белки. Меченый азот ученые обнаружили как в аминокислотах в печени и мышцах животных, так и в аминокислотах, которые остались в кишечнике.

Мочевину вводили животным трижды — летом (в активное время), в начале и в конце зимней спячки. Больше всего азота из мочевины включалось в белки хозяина в конце зимы, когда бактерий в кишечнике меньше всего. Это происходило благодаря нескольким механизмам компенсации. Во-первых, количество транспортеров мочевины в стенке кишечника втрое выше в конце периода гибернации, чем летом. Во-вторых, уреаза зимой экспрессируется бактериями в больших количествах, и ее активность выше. В-третьих, хотя зимой бактерий погибает больше, чем летом, их метаболиты высвобождаются и могут использоваться организмом хозяина.

Некоторым сусликам давали антибиотики, чтобы уничтожить большую часть микробиоты в их кишечнике. У таких животных синтез азота из мочевины происходил намного хуже (меченого азота в печени и мышцах было меньше).

Авторы отмечают, что можно заставить бактерии в кишечнике других животных и даже человека проделывать то же самое, что в организме суслика. Например, это может помочь космонавтам, мышцы которых атрофируются в условиях невесомости.

«Теоретически, этот процесс может снизить скорость потери мышечной массы в космосе, где воздействие микрогравитации приводит к мышечной атрофии, — говорит Мэтью Риган, профессор физиологии животных в университете Монреаля. — А если получится вводить людей в состояния, подобные гибернации, мы сможем одновременно решить многочисленные проблемы космических полетов, поскольку гибернация может защитить и от других опасностей, например, ионизирующего излучения».

Но не только космонавты страдают от истощения мышц. Результаты новой работы могут помочь улучшить здоровье лежачих или малоподвижных больные, пациентов с саркопенией, белковой недостаточностью и пожилых людей.