研究揭示哺乳动物冬眠背后的分子机制

研究人员揭示了冬眠背后的分子机制，今天将他们的发现作为经过审查的预印本发表在eLife上。他们在小型和大型冬眠哺乳动物中的研究被编辑描述为一项重要的研究，它增进了我们对肌球蛋白结构和能量消耗对冬眠分子机制的作用的认识，并有可靠的方法和证据支持。研究结果还表明，肌球蛋白(一种参与肌肉收缩的运动蛋白)在冬眠期间的非颤抖产热中发挥着作用，其中热量的产生独立于颤抖的肌肉活动。

冬眠是许多动物使用的一种生存策略，其特征是深度休眠状态以及代谢活动、体温、心率和呼吸的大幅降低。在冬眠期间，动物依靠储存的能量储备，特别是脂肪来维持其身体机能。新陈代谢减慢使冬眠者能够保存能量，并在冬季忍受长期的食物短缺和恶劣的环境条件。然而，冬眠背后的细胞和分子机制仍不完全清楚。

较小的冬眠哺乳动物会经历长时间的低代谢状态(称为“麻木”)，这种状态会显着降低它们的体温，并会间或出现间歇性的自发性温热唤醒(IBA)期间，它们会暂时升高体温以恢复某些生理功能，例如消除浪费并多吃食物。

这与大型哺乳动物形成鲜明对比，大型哺乳动物的体温在冬眠期间降低幅度要小得多，并且保持相当稳定。骨骼肌约占哺乳动物体重的一半，在决定其产热和能量使用方面发挥着关键作用。

“直到最近，骨骼肌的能量消耗还被认为主要与参与肌肉收缩的肌球蛋白的活动有关。然而，越来越多的证据表明，即使在放松时，骨骼肌仍然会消耗少量的能量，”丹麦哥本哈根大学生物医学科学系博士后研究员克里斯托弗·刘易斯(ChristopherLewis)解释道。

“被动肌肉中的肌球蛋白头可以处于不同的静止状态：‘无序放松’或DRX状态，以及‘超级放松’或SRX状态。处于DRX状态的肌球蛋白头会消耗ATP——能量货币。细胞的速度比SRX状态下的细胞快五到十倍，”Lewis补充道。

Lewis及其同事假设，DRX或SRX状态下肌球蛋白比例的变化可能有助于减少冬眠期间的能量消耗。为了测试这一点，他们从两种小型冬眠动物(十三纹地松鼠和花园睡鼠)和两种大型冬眠动物(美国黑熊和棕熊)中采集了骨骼肌样本。

首先，他们试图确定活跃期和冬眠期的肌球蛋白状态及其各自的ATP消耗率是否不同。他们观察了两种熊在夏季活跃期(SA)和冬季冬眠期的肌肉纤维。

他们发现两个阶段之间处于DRX或SRX状态的肌球蛋白比例没有差异。为了测量肌球蛋白消耗ATP的速率，他们使用了一种称为Mant-ATP追踪测定的专门测试。这表明肌球蛋白的能量消耗率也没有变化。这可能是为了防止熊在冬眠期间出现严重的肌肉消耗。

研究小组还对在SA、IBA和冬眠期间从小型哺乳动物身上采集的样本进行了Mant-ATP追踪分析。与较大的冬眠者一样，他们没有观察到三个阶段之间SRX或DRX形成中肌球蛋白头的百分比有任何差异。然而，他们确实发现，与SA阶段相比，两种形态中肌球蛋白分子的ATP周转时间在IBA和休眠阶段都较低，导致ATP消耗意外总体增加。

由于小型哺乳动物在冬眠期间的体温下降比大型哺乳动物更显着，研究小组测试了这种ATP消耗的意外增加是否也发生在较低的温度下。与之前使用的20°C实验室环境温度相比，他们在8°C下重新进行了Mant-ATP追踪测定。降低温度可减少SA和IBA中DRX和SRX相关ATP周转时间，导致ATP消耗增加。

众所周知，代谢器官，例如骨骼肌，会通过诱导颤抖或非颤抖生热来增加核心体温，以应对显着的寒冷暴露。在SA和IBA期间获得的样本中，寒冷暴露导致肌球蛋白消耗的ATP增加，这表明肌球蛋白可能有助于小型冬眠动物的非颤抖产热作用。

研究小组在冬眠期间获得的样本中没有观察到寒冷引起的肌球蛋白能量消耗的变化。他们认为，这可能是一种保护机制，可以维持较低的核心体温，以及在冬眠期间出现的更广泛的代谢关闭。

最后，研究人员希望了解不同冬眠阶段蛋白质水平发生的变化。他们评估了冬眠是否会影响十三线地松鼠的两种肌球蛋白Myh7和Myh2的结构。尽管他们没有观察到Myh7结构中任何与冬眠相关的变化，但他们发现，与SA和IBA相比，Myh2在冬眠期间经历了显着的磷酸化，这是能量储存的关键过程。

他们还分析了棕熊体内两种蛋白质的结构，发现SA和冬眠之间没有结构差异。因此，他们得出结论，Myh2过度磷酸化与冬眠特别相关，而不是一般的冬眠，并提出这有助于增加小型哺乳动物的肌球蛋白稳定性。这可能作为一种潜在的分子机制来减轻与肌球蛋白相关的骨骼肌消耗增加，以应对冬眠期间的寒冷暴露。

eLife的编辑指出，该研究的某些领域值得进一步研究。也就是说，肌肉样本完全取自所研究动物的腿部。鉴于核心身体和四肢具有不同的温度，研究身体其他部位的肌肉样本将进一步验证团队的发现。

“总而言之，我们的研究结果表明，十三纹地松鼠等小型哺乳动物在寒冷环境中冬眠期间，DRX和SRX肌球蛋白状态下的ATP转换适应会发生。相比之下，美洲黑熊等大型哺乳动物则没有表现出这种变化，这可能是由于哥本哈根大学生物医学科学系副教授、资深作者JulienOchala总结道。“我们的研究结果还表明，肌球蛋白可能有助于冬眠期间骨骼肌非颤抖产热。”