Исследование раскрывает молекулярные механизмы спячки у млекопитающих

Исследователи пролили свет на молекулярные механизмы, лежащие в основе спячки, опубликовав свои выводы в виде рецензируемой препринт-статьи в eLife.

Их работа, проведенная на малых и крупных впадающих в спячку млекопитающих, описывается редакторами как важное исследование, расширяющее наши знания о роли структуры миозина и потребления энергии в молекулярных механизмах спячки, подкрепленное надежной методологией и доказательствами. Результаты также позволяют предположить, что миозин — моторный белок, участвующий в мышечном сокращении — играет роль в несократительном термогенезе во время спячки, когда тепло вырабатывается независимо от мышечной активности (дрожи).

Спячка — это стратегия выживания, используемая многими животными, характеризующаяся состоянием глубокого покоя и значительным снижением метаболической активности, температуры тела, частоты сердечных сокращений и дыхания. Во время спячки животные полагаются на запасы энергии, в основном жиры. Замедление метаболизма позволяет впадающим в спячку экономить энергию и переживать длительные периоды нехватки пищи и суровых условий зимой. Однако лежащие в основе клеточные и молекулярные механизмы спячки остаются не до конца понятными.

Малые впадающие в спячку млекопитающие переживают длительные периоды гипометаболического состояния, называемого оцепенением (torpor), которое значительно снижает температуру их тела и прерывается спонтанными периодами пробуждений (interbout euthermic arousals, IBA), когда они временно повышают температуру тела для восстановления некоторых физиологических функций.

Это контрастирует с крупными млекопитающими, температура тела которых во время спячки снижается гораздо меньше и остается довольно стабильной. Скелетные мышцы, составляющие около половины массы тела млекопитающего, играют ключевую роль в определении теплопродукции и использования энергии.

До недавнего времени считалось, что потребление энергии в скелетных мышцах в первую очередь связано с активностью миозина. Однако появляется все больше доказательств, что даже в расслабленном состоянии скелетные мышцы все еще используют небольшое количество энергии.

Головки миозина в пассивных мышцах могут находиться в разных состояниях покоя: «дезорганизованно-расслабленном» (disordered-relaxed, DRX) и «супер-расслабленном» (super-relaxed, SRX). Головки миозина в состоянии DRX расходуют АТФ — энергетическую валюту клетки — в 5–10 раз быстрее, чем в состоянии SRX.

Авторы выдвинули гипотезу, что изменения в пропорции миозина в состояниях DRX или SRX могут способствовать снижению потребления энергии во время спячки. Чтобы проверить это, они взяли образцы скелетных мышц у двух малых впадающих в спячку (тринадцатиполосый суслик и садовая соня) и двух крупных (американский черный медведь и бурый медведь).

Сначала они изучили, различаются ли состояния миозина и соответствующие скорости потребления АТФ между активными периодами и спячкой. Они исследовали мышечные волокна, взятые у двух видов медведей в период летней активности (SA) и в период зимней спячки.

Не было обнаружено различий в доле миозина в состояниях DRX или SRX между двумя фазами. Для измерения скорости потребления АТФ миозином использовался специализированный тест Mant-ATP chase assay. Он также не выявил изменений в скорости потребления энергии миозином. Это может быть направлено на предотвращение значительной мышечной атрофии у медведей во время спячки.

Команда также провела Mant-ATP chase assay на образцах, взятых у малых млекопитающих во время SA, IBA и оцепенения (torpor). Как и у крупных животных, не было обнаружено различий в проценте головок миозина в формациях SRX или DRX между тремя фазами. Однако было обнаружено, что время оборота АТФ молекул миозина в обеих формациях было ниже в фазах IBA и torpor по сравнению с фазой SA, что привело к неожиданному общему увеличению потребления АТФ.

Поскольку у малых млекопитающих во время спячки наблюдается более значительное падение температуры тела, чем у крупных, команда проверила, происходит ли это неожиданное увеличение потребления АТФ также и при более низкой температуре. Они повторно провели Mant-ATP chase assay при 8°C по сравнению с ранее использованной лабораторной температурой 20°C. Снижение температуры уменьшило время оборота АТФ, связанное с DRX и SRX, в фазах SA и IBA, что привело к увеличению потребления АТФ.

Хорошо известно, что метаболические органы, такие как скелетные мышцы, повышают внутреннюю температуру тела в ответ на сильное воздействие холода, либо вызывая дрожь, либо посредством несократительного термогенеза. Воздействие холода вызвало увеличение потребления АТФ миозином в образцах, полученных во время SA и IBA, что позволяет предположить, что миозин может способствовать несократительному термогенезу у малых впадающих в спячку.

Команда не наблюдала вызванных холодом изменений в потреблении энергии миозином в образцах, полученных во время оцепенения (torpor). Они предполагают, что это, вероятно, защитный механизм для поддержания низкой внутренней температуры тела и общего метаболического замедления во время оцепенения.

Наконец, исследователи хотели понять изменения, происходящие на уровне белков в разные фазы спячки. Они оценили, влияет ли спячка на структуру двух белков миозина у тринадцатиполосого суслика, Myh7 и Myh2. Хотя они не наблюдали связанных со спячкой изменений в структуре Myh7, они обнаружили, что Myh2 подвергался значительному фосфорилированию — процессу, критически важному для накопления энергии — во время оцепенения (torpor) по сравнению с SA и IBA.

Они также проанализировали структуру двух белков у бурого медведя и не обнаружили структурных различий между SA и спячкой. Таким образом, они пришли к выводу, что гиперфосфорилирование Myh2 специфически связано именно с оцепенением (torpor), а не со спячкой в целом, и предполагают, что это служит для повышения стабильности миозина у малых млекопитающих. Это может действовать как потенциальный молекулярный механизм для смягчения связанного с миозином увеличения расхода энергии скелетными мышцами в ответ на воздействие холода в периоды оцепенения.

Редакторы eLife отмечают, что некоторые аспекты исследования требуют дальнейшего изучения. А именно, образцы мышц были взяты исключительно из ног изучаемых животных. Учитывая, что температура ядра тела и конечностей различается, исследование образцов мышц из других частей тела дополнительно подтвердило бы выводы команды.

«В целом, наши результаты позволяют предположить, что адаптации оборота АТФ в состояниях миозина DRX и SRX происходят у малых млекопитающих, таких как тринадцатиполосый суслик, во время спячки в холодных условиях. В отличие от них, у крупных млекопитающих, таких как американский черный медведь, таких изменений не наблюдается, вероятно, из-за их стабильной температуры тела во время спячки. Наши результаты также позволяют предположить, что миозин может выступать в качестве участника несократительного термогенеза скелетных мышц во время спячки».