Спячка сони и медведя отличается на молекулярном уровне

Спячка свойственна многим видам крупных и мелких млекопитающих. Она характеризуется снижением метаболической активности, температуры тела, частоты сердечных сокращений и дыхания — все это нужно для экономии энергии, чтобы пережить нехватку пищи и тяжелые условия в зимний период. Во время спячки животные тратят накопленные запасы, в том числе жир. Авторы статьи в eLife задались вопросом, что происходит с миозином скелетных мышц во время спячки — претерпевает ли он изменения для того, чтобы оптимизировать использование энергии.

Скелетная мускулатура составляет 45–55% массы тела и вносит основной вклад в выработку тепла организмом. Миозиновые головки в мышцах могут находиться в различных метаболических состояниях. Так, в конформации ON (релаксированное состояние, DRX) они не связаны с актином и свободно располагаются между его филаментами. Также существует состояние суперрелаксации (конформация OFF или SRX), в котором АТФазный участок головки миозина стерически ингибируется. Это, в свою очередь, снижает оборот АТФ в 5–10 раз по сравнению с конформацией ON и, следовательно, уменьшает выработку тепла. Ученые предположили, что изменение соотношения DRX/SRX служит основным фактором, который подавляет расход АТФ во время спячки млекопитающих.

Сперва исследователи проанализировали оборот АТФ в мышечных волокнах черного медведя, или барибала (Ursus americanus), полученных летом или зимой. Они использовали флуоресцентно-меченный АТФ, чтобы отследить его потребление в миофибриллах I и II типа (медленных и быстрых мышечных волокнах). Изменений в расходе АТФ в состоянии покоя, а также соотношении состояний DRX и SRX, ученые не обнаружили. Время оборота АТФ также не изменялось. Похожий результат авторы получили, исследовав мышцы бурого медведя (Ursus arctos) — метаболическое поведение миозина не изменялось во время спячки.

Изучение более мелких млекопитающих — садовой сони (Eliomys quercinus) и тринадцатиполосного суслика (Ictidomys tridecemlineatus) — показало, что в мышцах этих животных менялось время оборота АТФ. Оно снижалось во время спячки по сравнению с активным периодом. Авторы отмечают, что соням и сусликам свойственен иной режим спячки, нежели крупным млекопитающим. Оцепенение, при котором температура тела сильно снижается, у них прерывается периодами обычного сна, когда метаболизм и температура восстанавливаются до нормальных уровней. Оказалось, что во время «пробуждения» от оцепенения потребление АТФ возрастает даже по сравнению с летней активностью.

Однако предыдущие опыты проводились при комнатной температуре. Теперь же ученые смоделировали значительное понижение температуры тела животных и провели измерения при 8°C. Оказалось, что время оборота АТФ снижалось в этих условиях в миофибриллах II типа при оцепенении и повышалось — при «пробуждениях» от него. Исходя из таких изменений температурной чувствительности миозина, авторы предположили, что скорость оборота АТФ в состоянии покоя снижается при воздействии холода, чтобы увеличить выработку тепла путем гидролиза АТФ.

Исследователи также проанализировали протеомные изменения, происходящие в мышечных волокнах мелких млекопитающих во время спячки. Известно, что миозин активно регулируется посттрансляционными модификациями, и их изучение показало, что оцепенение ассоциировано с гиперфосфорилированием Myh2 (белка тяжелой цепи миозина). Это может влиять на стабильность миозиновых филаментов.

Исследование показало неожиданные результаты — вопреки изначальному предположению авторов, мелкие млекопитающие во время спячки увеличивают энергозатраты мышечных волокон при температуре окружающей среды. При сниженной температуре (8°C) в мышцах активных сусликов возрастало миозин-зависимое потребление АТФ. Этого не происходило в волокнах, отобранных во время оцепенения. Авторы статьи предполагают, что мелкие спячные животные способны стабилизировать миозин, чтобы предотвратить вызванное холодом увеличение энергозатрат и, следовательно, увеличить выработку тепла. Также ученые выяснили, что мышечные волокна II типа (быстрые) адаптируются к условиям спячки лучше, чем медленные (I типа).

Полученные результаты демонстрируют разницу между крупными и мелкими млекопитающими, впадающими в спячку. У мелких животных (сони и суслика) во время оцепенения изменялась скорость потребления АТФ в ON и OFF конформациях миозина. У крупных млекопитающих — медведей — таких изменений не наблюдалось, что, по-видимому, связано со стабильной температурой тела во время спячки. Эти данные подтверждают гипотезу о том, что миозин служит одним из регуляторов термогенеза у млекопитающих, причем этот механизм подавляется во время оцепенения.

Микробиом кишечника сохраняет сусликам мышцы во время зимней спячки