《eLife》哺乳动物冬眠背后的分子机制

研究人员描述了运动蛋白(称为肌球蛋白)结构的变化，以及冬眠期间发生的能量消耗，强调了大型和小型冬眠动物之间的关键差异。

　　

研究人员揭示了冬眠的分子机制，并在今天的《eLife》杂志上发表了他们的研究结果。

他们的研究，在小型和大型冬眠哺乳动物中，被编辑描述为一个重要的研究，推进了我们对肌球蛋白结构和能量消耗在冬眠分子机制中的作用的认识，有坚实的方法和证据支持。研究结果还表明，肌凝蛋白——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起作用，在这种情况下，热量的产生与颤抖的肌肉活动无关。

冬眠是许多动物的一种生存策略，其特点是处于深度休眠状态，代谢活动、体温、心率和呼吸都大大降低。冬眠期间，动物依靠储存的能量储备，尤其是脂肪来维持身体机能。新陈代谢的减缓使冬眠动物能够保存能量，并在冬季忍受长时间的食物短缺和恶劣的环境条件。然而，冬眠背后的潜在细胞和分子机制仍然不完全清楚。

体型较小的冬眠哺乳动物会经历长时间的低代谢状态，这种状态被称为“冬眠”，这种状态会显著降低它们的体温，并被间歇的自发热唤醒(IBA)打断——在这种状态下，它们会暂时提高体温，以恢复一些生理功能，比如消除废物和吃更多的食物。这与大型哺乳动物形成鲜明对比，它们的体温在冬眠期间下降得少得多，而且保持相当一致。骨骼肌占哺乳动物体重的一半左右，在决定它们的产热和能量使用方面起着关键作用。

“直到最近，骨骼肌的能量消耗被认为主要与肌球蛋白的活动有关，肌球蛋白与肌肉收缩有关。然而，越来越多的证据表明，即使他们放松，骨骼肌仍然使用少量的能量，”主要作者克Christopher Lewis解释说，他是丹麦哥本哈根大学生物医学科学系的博士后研究员。“被动肌肉中的肌球蛋白头可以处于不同的静息状态:'无序放松'或DRX状态，以及'超放松'或SRX状态。DRX状态下的肌球蛋白头部消耗ATP(细胞的能量货币)的速度是SRX状态下的5到10倍。”

Lewis和他的同事推测，DRX或SRX状态下肌球蛋白比例的变化可能导致冬眠期间能量消耗的减少。为了验证这一点，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——美国黑熊和棕熊身上提取了骨骼肌样本。

首先，他们试图确定肌凝蛋白状态及其各自的ATP消耗率在活动期和冬眠期间是否不同。他们观察了这两种熊在它们的夏季活跃期(SA)和冬季冬眠期的肌肉纤维。他们发现，在这两个阶段之间，DRX或SRX状态下肌球蛋白的比例没有差异。为了测量肌凝蛋白消耗ATP的速度，他们使用了一种叫做Mant-ATP追逐试验的专门测试。这表明肌凝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显著的肌肉消耗。

研究小组还对小哺乳动物在SA、IBA和冬眠期间采集的样本进行了Mant-ATP追逐实验。在较大的冬眠动物中，他们没有观察到三个阶段之间SRX或DRX形成的肌球蛋白头部百分比有任何差异。然而，他们确实发现，与SA相相比，两种形态的肌球蛋白分子在IBA和休眠状态下的ATP周转时间更短，导致ATP消耗出乎意料的整体增加。

由于小型哺乳动物在冬眠期间比大型哺乳动物经历更显著的体温下降，研究小组测试了这种意想不到的ATP消耗增加是否也会在较低的温度下发生。与之前使用的20°C的实验室环境温度相比，他们在8°C下重新进行了Mant-ATP追踪实验。降低温度降低了SA和IBA中DRX和srx相关的ATP周转次数，导致ATP消耗增加。众所周知，代谢器官，如骨骼肌，可以通过诱导寒战或非寒战产热来提高核心体温，以应对明显的寒冷暴露。在SA和IBA期间获得的样品中，冷暴露导致肌凝蛋白消耗ATP增加，这表明肌凝蛋白可能有助于小型冬眠动物的非寒战产热。

研究小组没有观察到在冬眠期间获得的样品中肌球蛋白能量消耗的寒冷引起的变化。他们认为，这可能是一种保护机制，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停止。

最后，研究人员想要了解在不同冬眠阶段蛋白质水平上发生的变化。他们评估了冬眠是否会影响十三纹地鼠的两种肌球蛋白的结构:Myh7和Myh2。尽管他们没有观察到Myh7的结构发生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著的磷酸化——这是一个对能量储存至关重要的过程。他们还分析了棕熊体内这两种蛋白质的结构，发现SA和冬眠之间没有结构差异。因此，他们得出结论，Myh2超磷酸化与冬眠有关，而不是一般的冬眠，并提出这有助于增加小型哺乳动物肌球蛋白的稳定性。这可能作为一种潜在的分子机制，以减轻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》的编辑们指出，这项研究的一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。考虑到核心身体和四肢的温度不同，研究身体其他部位的肌肉样本将进一步验证该团队的发现。

“总的来说，我们的研究结果表明，DRX和SRX肌球蛋白状态下的ATP转换适应发生在像十三行地松鼠这样的小型哺乳动物在寒冷环境中冬眠时。相比之下，像美国黑熊这样的大型哺乳动物没有表现出这种变化，可能是由于它们在冬眠期间体温稳定，”哥本哈根大学生物医学科学系副教授、资深作者Julien Ochala总结道。“我们的研究结果还表明，肌凝蛋白可能是骨骼肌在冬眠期间非颤抖产热的一个因素。”

Remodelling of skeletal muscle myosin metabolic states in hibernating mammals