冬眠是一种生物学现象，是对季节性食物短缺的一种适应，为了在没有食物的情况下度过漫长的冬天，冬眠动物（如地松鼠）可以减缓高达 99% 的新陈代谢，在没有任何膳食蛋白质摄入和运动的状态下，但它们仍然需要蛋白质等重要营养物质来维持肌肉。

近日， 美国威斯康星大学麦迪逊分校研究团队在Science上发表了一篇题为 Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season 的论著，这项新研究揭示了肠道微生物如何帮助冬眠动物循环营养，维持肌肉过冬。

研究成果（图源：Science）

任何动物，不运动的时间越长，骨骼和肌肉就会开始萎缩，失去质量和功能。由于没有任何膳食蛋白质摄入，冬眠者就需要通过另一种方式来获得肌肉所需的物质。

动物体内的氮来源于蛋白质，它以尿素的形式积累于所有动物体内，而尿素是尿液的成分之一。尽管食物缺氮且长时间不活动，但冬眠的动物在冬季肌肉蛋白质合成率可以达到非冬眠期间水平，几乎没有失去肌肉质量和功能。他们在冬眠期间如何保存组织蛋白质，其中的机制尚不明了。

研究人员已经知道，进入地松鼠消化道的尿素可能会被一些肠道微生物分解，这些微生物也需要氮来合成自身蛋白质，但微生物释放出的部分尿素氮是否也被并入了地松鼠体内还不清楚。

在该研究中，他们用三组季节性地松鼠进行了验证：夏季（活动）、初冬（冬眠和禁食 1 个月）和冬末（冬眠和禁食 3～4 个月），使用同位素呼吸分析测量体内微生物的尿素分解活性，由于脊椎动物缺乏尿素酶，以未标记的尿素作为对照，将 13C，15N-尿素注射到地松鼠（微生物组完整）的腹腔后，平均呼吸 δ13C 在微生物组中增加（图 A、B、C），从而证实了微生物的尿素分解活性。

其中，夏季地松鼠的尿素分解活性最大（图 D），微生物尿素分解在整个冬眠过程中持续进行。在七个脲酶相关基因（图 F）中，冬眠地松鼠的宏基因组趋向于脲酶基因的百分比高于夏季地松鼠（图 E）。这表明在冬眠期间，有更多的微生物具备水解尿素的潜力。

地松鼠肠道微生物尿素溶解和宏基因组研究

（图源：Science）

本研究的通讯作者之一， 威斯康星大学麦迪逊分校的生物化学家Fariba M. Assadi-Porter表示：「我们将氮追踪到（地松鼠的）肝脏，在这里氮主要被用来合成许多蛋白质，还有一些用来维持肌肉。」被同位素标记的氮从宿主进入微生物群，被微生物转化为有用的分子，然后再次回到宿主体内，实质上是在冬眠动物体内被「循环」。

对于微生物的「循环」途径，研究人员观察到了支持这一途径的两个证据。当地松鼠的肠道微生物被抗生素耗竭时，在肝脏和肌肉中可追踪氮要少很多；研究人员在对地松鼠肠道微生物基因组进行测序时，发现随着冬眠时间的延长，与脲酶相关的基因有所增加。

另外，尿素氮循环为冬眠者提供了两个主要好处：

首先，在缺乏氮的情况下，尿素氮能促进蛋白质的合成，尤其是在冬眠后期，也就是地松鼠进入繁殖季节之前。通过促进蛋白质合成和随后的组织功能，这一过程可能会带来生殖优势。

其次，尿素氮回收可以将尿素从肾脏转移，来增强冬眠者的水分保护，从而减少尿液产生所需的水。

通讯作者Carey还说道：「只有表达脲酶的微生物才能分解尿素并释放其氮，从而帮助宿主们度过冬眠季节」。

本研究结果证明了肠道微生物群在冬眠季节发挥了功能作用，了解冬眠者在严重缺氮情况下维持蛋白质平衡和减轻肌肉损耗的机制，可能会为人类的肌肉维持策略提供参考。

该研究的第一作者，蒙特利尔大学动物生理学教授Matthew Regan表示：「在太空中，微重力必然会导致肌肉萎缩，而从理论上讲，冬眠过程可以降低太空中的肌肉损失率。如果转化到人类身上，人类冬眠状态就有可能同时解决人类航天的诸多挑战。」

因此，这一发现可以帮助患有肌肉萎缩障碍的人，甚至可以帮助宇航员们进行更长时间的太空旅行，让宇航员们进入类冬眠状态，从而不再需要摄入过多的食物、水和氧气，产生的废物和二氧化碳也会更少，从而减轻重量以及节省大量燃料。

参考资料：

1. https://dx.doi.org/10.1126/science.abh2950

2. https://www.eurekalert.org/news-releases/941035?

相关讯息｜Science：冬眠动物克服肌肉萎缩，靠的居然是“肠子”

QbitAI

由于缺乏规律的食物摄入，哺乳动物如何在冬眠期间维持生理功能一直是个谜。

虽然它们可以通过贴秋膘，慢代谢的方式节约能量，但这还是不够。

更糟糕的是，冬眠导致长时间无法活动，再加上饥饿，会促使身体分解肌肉蛋白以产生能量。

而一旦肌肉蛋白被分解，肌肉萎缩也就在所难免。

那冬眠动物是如何克服这个障碍的呢？

Science上最新刊登的一项研究揭示了其中的奥妙。

锁定氮元素流失

在肌肉蛋白被分解这个问题上，最核心的损失是氮元素的流失。

用蛋白质提供能量的同时会有副产物铵离子生成，而铵离子会进一步转化为尿素。

由于高浓度的尿素对哺乳动物的神经元有毒，因此通常随尿液排出体外。如果任由这种流失进行下去，冬眠是难以为继的。

对于这个问题，以松鼠为例，学术界有两种说法。

一种是松鼠自身具有特殊的循环机制，可以从尿素中回收氮元素。

另一种说法是肠道的微生物可以帮助松鼠固氮。

多说无益，实践才能出真知。

于是，蒙特利尔大学的Regan和同事们设计了一组实验，以验证肠道微生物的重要性。

肠道微生物立大功

实验共使用了47只十三条纹地松鼠。研究人员将它们按季节分为三组，分别是夏季、初冬和晚冬。

他们的主要思路是模拟不同的季节环境，对比正常活动的松鼠和冬眠松鼠的各类生物指标。

并用同位素标记法测量它们的尿素代谢情况。

为了对照出肠道微生物的作用，研究人员还给实验组注射了抗生素，来清除肠道的微生物菌群。

结果发现（下图纵轴代表尿素浓度），肠道微生物完整的一组（Intact）尿素浓度很低，而清除肠道微生物的一组（Depleted）尿素浓度很高。

不仅如此，松鼠的盲肠中也含有丰富的碳13代谢产物，这表明微生物已经将尿素中的碳和氮循环到自己体内代谢，再由松鼠吸收。

而且从下图中可以看出，冬眠期间，肠道微生物代谢释放的尿素碳比例高于夏季。

（下图中纵轴代表盲肠内容物丰度，实心条代表肠道微生物完整，空心条代表肠道微生物被清除。实心条上面一格代表微生物释放尿素碳的比例）

研究人员还进行了其他实验，表明了松鼠在长时间禁食后，尿素氮的再循环达到最大。

并且此时肠道中的尿素转运蛋白丰度和微生物组中的尿素酶基因丰度也最高。

这些结果都揭示了冬眠期间肠道微生物发挥的作用。

或许后续的研究可以将这些肠道微生物分离出来，移植到其他物种中，帮助解决类似的尿素代谢和氮循环问题，帮助肌肉萎缩患者找到希望。

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn6187
[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2950