为了度过寒冬，不少哺乳动物演化出了冬眠策略，将代谢水平降至最低，甚至能达到正常水平的1%。但即使是在这段近乎静歇的时期，它们也需要蛋白质来维持基本的肌肉活动。在停止进食的情况下，它们是如何获取这些营养物质的？


在一项发表于《科学》的最新研究中，来自威斯康辛大学麦迪逊分校的研究团队从一种松鼠身上找到了答案：十三条纹地松鼠（Ictidomys tridecemlineatus）的肠道微生物能够从代谢废物尿素中，重新获取宿主可用的氮元素。




“任何动物一旦长期不运动，骨骼和肌肉都会开始萎缩、质量减轻并丧失功能，”该校荣誉教授，这篇论文的共同通讯作者Hannah Carey说，“没有任何外源的蛋白质摄入，冬眠动物需要从其他途径获取肌肉活动所需的营养。”


经过新陈代谢，作为构建氨基酸的关键元素，氮在动物体内以尿素的形式积累，最终作为尿液的主要成分排出体外。此前的研究已经发现，进入松鼠消化道的尿素会被肠道微生物降解，后者同样需要氮元素来合成蛋白质。但研究者希望了解的是，这些肠道微生物降解产生的氮元素中，是否有一部分会被松鼠重新利用？


为此，研究团队利用同位素示踪标记了尿素中的氮元素，随后分别在3个时间段将这些尿素注射至不同松鼠的血液中，分别是：夏季代谢活跃时、冬眠刚开始时，以及冬眠接近结束的时候。作为对照，研究人员还对其中一些松鼠使用抗生素，以大幅降低其肠道微生物的数量。




正如研究团队的预期，一些肠道微生物在降解尿素之后，将经过同位素标记的氮释放至松鼠体内。而在对照组中，肠道微生物含量很低的松鼠，肝脏和肌肉中的同位素标记也要少很多。


“我们追踪发现，这些氮主要进入松鼠的肝脏，在这里用于制造蛋白质，另一部分则（以氨、谷氨酰胺等形式）进入肌肉，”论文共同通讯作者Fariba Assadi-Porter教授表示，“我们看到了同位素标记的氮元素从宿主进入微生物，随后又由微生物转化为宿主可用的分子、回到宿主中的过程，也就是说，氮在冬眠动物体内实现了‘循环’。”


研究者对松鼠肠道微生物进行基因组测序后还发现，随着冬眠进程的推进，与产生脲酶（催化尿素降解的酶）相关的基因的表达上调，在冬眠尾声时最活跃。




“只有表达生成脲酶的微生物能分解尿素分子，并释放氮元素，” Carey教授说，“只要有合适的微生物存在，它们与宿主就达成了某种‘交易’——双方都能获得一些氮元素，直到冬眠结束。”


此前的研究已经揭示，人类也能从尿素中重新获得可用的氮元素，只是含量比松鼠要少很多。了解冬眠状态下动物生存的方式，对于人类同样意义重大：这些机制不仅有望为肌肉萎缩患者提供治疗思路，还将为未来奔赴遥远星球的深空旅行奠定理论基础。未来，为了减轻重量、减少所需的燃料，深空旅行或许需要让宇航员处于近似冬眠的状态——只摄取少量食物、水和氧气，产生的代谢废物也随之减少。


“暴露在微重力环境中，肌肉的减少不可避免，但这个过程从理论上将降低太空中肌肉损失的速度，”论文共同作者Matthew Regan教授说，“除了这个与肠道微生物相关的过程，冬眠还有助于减轻深空旅行中的其他威胁，例如电离辐射。因此，如果人类能以类似的状态进入旅途，将为深空探索解决大量挑战。”


参考资料：


[1] Matthew D。 Regan et al。， Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season。 Science （2022）。 https：//www.science.org/doi/10.1126/science.abh2950


[2] Microbes help hibernating animals recycle nutrients， maintain muscle through winter。 Retrieved Jan。 27， 2022 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/941035