Поддерживать мышечную массу во время спячки сусликам помогают кишечные микробы

Рис. 1. Тринадцатиполосые суслики (Ictidomys tridecemlineatus) оказались удобным объектом для изучения спячки — загадочного во многих отношениях явления, которое при этом чрезвычайно широко распространено у млекопитающих. Считалось, что зимняя спячка сформировалась как адаптация к малопригодным зимним условиям, когда млекопитающие расселялись в бореальную зону. Однако после того, как было обнаружено, что в спячку впадают и ехидны, стало понятно, что этой способностью обладали уже самые ранние предки млекопитающих (G. C. Grigg et al., 1989. Hibernation in a monotreme, the echidna Tachyglossus aculeatus). Фото с сайта morgridge.org

Ученые из Висконсинcкого университета, уже много лет изучающие феномен спячки у млекопитающих, выяснили, как животным удается во время спячки поддерживать необходимый уровень азотистого обмена. Ведь животные в этом состоянии не получают никакой пищи, тем более белковой, а мышечная масса к концу спячки у них не меняется и с началом весеннего сезона они возобновляют активность как ни в чем не бывало. Исследование, проведенное на тринадцатиполосых сусликах (Ictidomys tridecemlineatus), показало, что в поддержании требуемого уровня азотистых веществ участвует микрофлора кишечника. Кишечные бактерии утилизируют мочевину, возвращая азот в обменный круговорот в виде аммония, а также готовых аминокислот и белков. Организму спящего животного остается лишь воспользоваться удобным дополнительным источником азотистых продуктов. Такой способ получения белка характерен для жвачных, адаптированных к низкобелковой диете. Теперь выясняется, что и другие животные могут при необходимости использовать тот же путь получения белка, синтезированного микрофлорой.

Пять лет назад в Висконсинском университете в Мадисоне, в лаборатории, изучающей физиологию спячки млекопитающих, стартовал любопытный проект. Целью его было изучение микробиоты животных во время спячки: если животное полгода спит и ничего не ест, то как же в это время выживает без пищи кишечная микрофлора, и что с ней происходит на протяжении шести голодных месяцев? Включившись в эту проблему, ученые не только подробно описали саму микрофлору, но, как это часто бывает при тщательных и правильно проведенных наблюдениях, открыли нечто неожиданное. Микрофлора не только выживает сама, но и помогает выживать своему спящему хозяину. Свое открытие сотрудники лаборатории и их коллеги, проводившие многочисленные инструментальные анализы, изложили на страницах свежего номера журнала Science.

Ученые работали с тринадцатиполосым сусликом (Ictidomys tridecemlineatus) — животным из группы земляных белок (ground squirrels). Этот вид удобен для подобных исследований, так как хорошо приживается в неволе и уходит в спячку, руководствуясь внутренними регуляторами, а не внешними обстоятельствами. Окружающая температура, количество корма могут быть постоянными и комфортными для животных, но что бы ни случилось, суслики в положенное время в конце сентября дисциплинированно уходят в подготовленную «холодную» комнату и засыпают на полгода. Во время спячки у них снижается температура тела (примерно до 10°C), а все физиологические процессы замедляются примерно в сто раз. Кстати любопытно, что каждую неделю на короткое время температура тела у них поднимается до нормальной, но затем снова снижается. В этот короткий период суслики не просыпаются, а продолжают спокойно спать. Зачем нужен этот периодический разогрев, пока не понятно, однако подобная динамика спячки для тринадцатиполосых сусликов не уникальна, а характерна для многих животных в течение спячки. Так или иначе, эти суслики полгода ничего не едят и не пьют, но, просыпаясь, находятся в неплохой физической форме, а мышечная масса у них даже увеличивается по сравнению с летней. Это означает, что они не испытывают недостатка в белковых субстратах, поддерживая нормальный белковый обмен. Какой у них «зимний» источник азота во время голодания? Этому вопросу и было посвящено опубликованное исследование.

Авторы изучали состав и активность микрофлоры кишечника сусликов в летний период, в начале спячки и в конце зимы. Естественно, к концу зимы обилие микроорганизмов резко понижалось, но ученые заметили, что при этом менялось численное соотношение их основных групп. Так, наблюдалось заметное увеличение доли ацетобактерий и бактерий, разлагающих мочевину. Последние гидролизуют мочевину и из полученного аммония строят свои белки. Теоретически эти синтезированные бактериальные белки могут помочь хозяину пережить спячку, однако теорию следовало подтвердить, доказав, что продукты бактериального синтеза действительно участвуют в метаболизме хозяина.

Ученые представили несколько линий доказательств. Во-первых, они проверили концентрацию мочевины в крови у сусликов до и во время спячки. При этом у одной группы подопытных зверьков микрофлора была нормальная, а у другой группы значительную часть микрофлоры убрали антибиотиками. Сравнение показало, что в обеих группах в конце спячки количество мочевины в крови примерно такое же, как и в начале спячки (рис. 2, слева). Это означает, что потребление белков остается на постоянном уровне.

Рис. 2. Слева — концентрация мочевины в крови сусликов до, во время и в конце спячки. Закрашенные прямоугольники — нормальная микрофлора, пустые — урезанная микрофлора. Справа — концентрация транспортеров мочевины (UT-B) летом и в конце спячки. Видно, что в конце спячки их становится больше. Это указывает на потребление мочевины микрофлорой кишечника. Закрашенные прямоугольники — естественный процесс, пустые — опыт с введением дополнительной мочевины в кровь. Графики из обсуждаемой статьи в Science

При этом концентрация ферментов, которые переносят мочевину в клетки кишечного эпителия (транспортеры мочевины), в выстилке кишечника заметно увеличивается в конце спячки (рис. 2, справа). Оно становится даже больше, чем во время летней активности. Предположительно, мочевина, поступающая в кишечник, переходит в ведение бактерий, способных ее гидролизовать (расщепить на углекислоту и аммоний).

Мочевину расщепляют ферменты уреазы, которых нет у млекопитающих — различными вариантами уреаз обладают бактерии и простейшие. Поэтому следующая линия доказательств микробного участия в белковом обмене касалась активности уреаз. Во-первых, авторы проверили, появляется ли радиоактивная метка ¹³С, введенная с мочевиной, в выдыхаемом зверьками воздухе. Если она появляется, то это будет надежным основанием утверждать, что бактерии в самом деле участвуют в расщеплении мочевины — иначе откуда бы этой метке взяться. Эта метка появилась в выдыхаемом воздухе и у активных животных (летом), и во время спячки (рис. 3, слева). Удалось даже показать, что в конце спячки в процессе расщепления мочевины участвуют те микробы, у которых больше всего копий генов уреаз (рис. 3, справа).

Рис. 3. Слева — содержание изотопа ¹³С в выдыхаемом сусликами воздухе во время летней активности, в начале и в конце спячки. Используется кумулятивный показатель за 3 часа измерений. Закрашенные прямоугольники — суслики с нормальной микрофлорой, пустые — суслики с микрофлорой, обработанной антибиотиком. Как видно из этого графика, переработка мочевины продолжается во время спячки. Справа — метагеномный анализ микрофлоры, показывающий увеличение доли микробов с повышенным числом генов уреаз в конце спячки. Графики из обсуждаемой статьи в Science

Более глубокое понимание происходящих процессов белкового обмена дало изучение маршрута меченых изотопов ¹⁵N, которыми снабдили введенную животным мочевину. Меченые изотопы появлялись, в частности, в составе мышечного белка. Следовательно, синтезированные бактериями из мочевины аминокислоты и белки отправлялись на построение мышц. Но и у сусликов с урезанной антибиотиками микрофлорой меченые аминокислоты тоже появились, хотя и в меньшем количестве. В частности, в печени ¹⁵N присутствовал в составе аммония и глутамина — аминокислоты, которая синтезируется в печени с утилизацией аммония (рис. 4). Это интересный вариант синтеза аминокислот — из аммония, на который переходит организм млекопитающих при дефиците белков. Иными словами, утилизация мочевины во время спячки происходит как за счет эндогенных процессов, так и за счет микробиального расщепления и последующего белкового синтеза. Микрофлора очень активно участвует в этом процессе, расщепляя мочевину, синтезируя белки из аммония, которые затем служат белковой пищей самому животному.

Рис. 4. Концентрация меченых изотопов азота ¹⁵N в различных азотсодержащих соединениях в печени сусликов во время летней активности, в начале и в конце спячки. Закрашенные прямоугольники — животные с нормальной микрофлорой, пустые — с урезанной микрофлорой. Заметно, что количество аммония, глутамина, аланина и лизина, синтезированных из мочевины в печени, повышается к концу спячки. Микрофлора заметно способствует этому синтезу, увеличивая количество субстрата — аммония. Графики из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, у сусликов во время спячки белковый обмен сворачивает на запасной путь. Если обычно аммоний, произведенный при гидролизе и переработке белков, отправляется в печень, где деактивируется, превращаясь в мочевину, и уже в таком виде выводится почками, то во время спячки путешествие аммония по организму в печени не заканчивается. Мочевина из печени поступает в кровь, доставляется к кишечному эпителию, где бактерии расщепляют ее уреазами и дальше используют для синтеза аминокислот и белков. Этот ресурс — отмирающие бактериальные клетки — животное-хозяин использует для своих нужд. Кроме того, аммоний, полученный при гидролизе мочевины, направляется в печень, где происходит синтез аминокислот. Этот процесс может идти и без участия бактерий, но они бесперебойно поставляют субстрат для этого процесса. Таким образом, во время спячки за счет деятельности микрофлоры экономятся дефицитные азотистые соединения, а кроме того, уменьшается количество мочи для растворения и выведения мочевины, то есть и воды спящему животному требуется существенно меньше. И то, и другое помогает благополучно пережить спячку.

Интересно, что подобный путь белкового синтеза с помощью микрофлоры (утилизация азота мочевины) вовсю используется жвачными животными. Ведь у жвачных бактериальные белки составляют существенную долю рациона, именно поэтому в корма крупного рогатого скота обычно добавляют мочевину. Пищеварительная система жвачных адаптирована к дефициту белковых составляющих в их травяном рационе, поэтому в расщеплении мочевины у них задействована специальная микрофлора. Теперь оказывается, что этот путь утилизации мочевины с участием микроорганизмов востребован и у других животных, в частности, у тринадцатиполосых сусликов во время спячки. Видимо, как только у животных возникает дефицит белка в пище — на помощь приходят микроорганизмы. Они берутся за мочевину, которая в обычном случае выделяется с мочой, но теперь азот экономно возвращается назад в метаболическое хозяйство организма.

Нельзя говорить, что необходимая микрофлора для поддержания требуемого белкового уровня нарочно культивируется в кишечнике сусликов. Скорее всего, это побочный результат преимущественного выживания в кишечнике тех микробов, которые могут процветать во время голодовки. А к таким относятся те, кто обладает повышенной уреазной активностью. В результате и микроб получает средства для жизни, и хозяину польза.

Источник: Matthew D. Regan, Edna Chiang, Yunxi Liu, Marco Tonelli, Kristen M. Verdoorn, Sadie R. Gugel, Garret Suen, Hannah V. Carey, Fariba M. Assadi-Porter. Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season // Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abh2950.

Елена Наймарк