Расщепляющие мочевину симбиотические бактерии защитили сусликов от атрофии мышц во время спячки

Тринадцатиполосные суслики во время спячки не едят до шести месяцев. В результате в их организм не поступает азот, что чревато нарушениями белкового обмена и деградацией мышечной ткани. Справиться с этой проблемой сусликам помогают кишечные бактерии. Симбионты преобразуют производимую грызунами мочевину в аммиак, позволяя повторно использовать содержащийся в ней азот для производства белков. Кроме того, они помогают экономить воду. Как отмечается в статье для журнала Science, такой механизм впервые описан для впадающих в спячку млекопитающих.

Многие млекопитающие, от однопроходных и сумчатых до грызунов и приматов, впадают в спячку, чтобы пережить трудные времена. Например, обитающие в Северной Америке тринадцатиполосные суслики (Ictidomys tridecemlineatus) проводят в этом состоянии до шести месяцев. Спящие грызуны ничего не едят, что позволяет им справиться с зимней бескормицей. Однако во время долгого голодания в их организм не поступает азот, а это чревато сбоями белкового обмена и разрушением мышечной ткани. Исследования показывают, что суслики успешно справляются с данной проблемой: в течение зимы их мышечная масса практически не уменьшается, а незадолго до пробуждения скорость синтеза белка в мышцах даже увеличивается до уровня активного сезона. Тем не менее, до сих пор оставалось неясным, как именно им это удается.

Команда биологов под руководством Ханны Кэри (Hannah V. Carey) из Висконсинского университета в Мэдисоне решила проверить гипотезу, согласно которой суслики переживают зиму благодаря помощи уреолитических бактерий кишечника. Предполагается, что эти симбиотические микроорганизмы перерабатывают мочевину в аммиак, поддерживая тем самым запасы азота и синтез белков в организме хозяев. Такой механизм рекуперации азота ранее был описан для жвачных (Ruminantia) и некоторых нежвачных млекопитающих, но не у впадающих в спячку видов.

Кэри и ее коллеги проанализировали метаболизм сусликов в разные периоды года: летом, когда эти грызуны активны; в первый месяц спячки и голодания; а также на третий-четвертый месяцы спячки. Исследователи делали подопытным грызунам по две инъекции ¹³C, ¹⁵N-мочевины, а затем отслеживали судьбу этих изотопов. Чтобы оценить роль симбиотических бактерий в этом процессе, часть особей обработали антибиотиками.

Как и у других млекопитающих, мочевина в организме сусликов синтезируется в печени, после чего попадает в кровоток и выводится почками. Однако некоторое количество мочевины благодаря работе эпителиальных белков-переносчиков выделяется в просвет кишечника, где уреолитические бактерии гидролизуют ее до аммиака и углекислого газа. Кэрри с коллегами выяснили, что зимой концентрация мочевины в плазме крови сусликов ниже, чем в летний период. Также они обнаружили, что у особей, которые не получили инъекцию мочевины, количество белков-переносчиков данного соединения в слепой кишке в конце зимы примерно втрое выше, чем летом. Возможно, низкая концентрация мочевины в крови во время спячки компенсируется более активным переносом этого соединения в кишечник.

Обработка сусликов антибиотиками в летний период привела к более активной экспрессии эпителиальных белков-переносчиков мочевины, снижению уровня мочевины в плазме и росту уровня мочевины в просвете кишечника. Все это согласуется с идеей, согласно которой уреолитические бактерии помогают хозяевам рекуперировать азот. Вероятно, столкнувшись с нехваткой симбионтов, грызуны начинают активнее снабжать немногих оставшихся мочевиной, чтобы получать достаточное количество аммиака. Авторы предполагают, что в нормальных условиях аммиак в просвете кишечника ингибирует синтез белков-переносчиков мочевины, так что падение его концентрации во время спячки или из-за дефицита уреолитических бактерий запускает дополнительное производство таких белков.

Чтобы оценить активность уреолитических бактерий, Кэри и ее коллеги проанализировали состав стабильных изотопов в дыхании сусликов после инъекции ¹³C, ¹⁵N-мочевины. У млекопитающих отсутствуют ферменты уреазы необходимые для гидролиза мочевины. Таким образом, если введенная в организм суслика мочевина разлагается на аммиак и углекислый газ, это работа симбиотических бактерий. Как и ожидали авторы, соотношение ¹³C к ¹²C в дыхании подопытных особей с нетронутым микробиомом увеличилось, что свидетельствует о расщеплении введенной мочевины в их организме. При этом у сусликов, обработанных антибиотиками и лишенных значительной части симбионтов, соотношение ¹³C:¹²C осталось прежним. Хотя летом расщепление мочевины шло активнее из-за более высокой численности бактерий, оно продолжалось на протяжении всей зимы.

Метагеномный анализ показал, что в кишечном микробиоме находящихся в спячке сусликов сильнее представлены семь генов, связанных с выработкой фермента уреазы. Вероятно, во время зимней спячки среди симбионтов возрастает доля тех, что способны расщеплять мочевину. Действительно, численность уреолитических бактерий из рода Alistipes в организме сусликов с лета до конца зимы возрастает примерно в шесть раз.

Воспользовавшись спектроскопией ядерного магнитного резонанса, авторы проанализировали химический состав содержимого слепой кишки и метаболитов печени сусликов, которым ввели ¹³C, ¹⁵N-мочевину. Оказалось, что в организме особей с нетронутым микробиомом концентрация ¹⁵N выше, чем у их сородичей, подвергшихся обработке антибиотиками. Аналогичная картина была отмечена для отдельных соединений, включая аммиак, глутамин и аланин. Содержание метаболитов с ¹⁵N также зависело от сезона. В слепой кишке их было больше летом, чем зимой. Напротив, в печени максимальное количество метаболитов с содержанием ¹⁵N было отмечено в конце зимы. Содержание ¹⁵N в белках мышечной ткани также зависело от наличия симбиотических микроорганизмов (но лишь в тех случаях, когда между инъекцией мочевины и взятием образца тканей прошло достаточно времени).

Интересно, что ¹⁵N активнее всего включался в мышечные белки в конце зимы, когда бактерии наименее интенсивно расщепляли мочевину. Вероятно, это связано с тем, что в данный период года белков-переносчиков на поверхности кишечника особенно много и они поставляют в его просвет достаточно мочевины. Доля уреолитических симбионтов в микробиоме при этом наиболее высока. В результате даже малой активности бактерий достаточно, чтобы произвести аммиак в необходимых объемах. Кроме того, зимой симбионты чаще гибнут, обеспечивая организм хозяина дополнительными метоболитами с содержанием азота.

Кэри с соавторами полагают, что аммиак, произведенный симбиотическими бактериями на основе сэкономленной мочевины, поглощается поверхностью кишечника, после чего направляется в печень. Здесь он преобразуется в глутамин при участии фермента глутаминсинтетазы, который сохраняет высокую активность на протяжении всей зимы. Обычно аммиак в печени преобразуется в мочевину, однако во время спячки метаболические процессы сдвигаются в сторону производства глутамина. Таким образом, чтобы повторно использовать мочевину и защититься от дефицита азота, суслики используют не только помощь симбиотических бактерий, но и перестраивают собственный метаболизм.

Возможность избежать дефицита азота и разрушения мышечной ткани — не единственное преимущество повторного использования мочевины. Для выведения данного вещества с мочой нужно потратить воду — однако ее следует экономить, поскольку во время спячки суслики не пьют. Расщепление мочевины на аммиак и углекислый газ силами симбиотических бактерий позволяет расходовать воду намного более экономно.

Ранее мы рассказывали о том, как биологи сравнили геномы четырех видов зверей из разных отрядов, впадающих в спячку (включая тринадцатиполосных сусликов), и нашли у них общие участки, которые эволюционируют быстрее среднего. Большинство из них имеют регуляторные функции и расположены рядом с генами, которые отвечают за развитие ожирения у людей.

Сергей Коленов