新年都未有芳华，二月初惊见草芽。白雪却嫌春色晚，故穿庭树作飞花。
唐代诗人韩愈的七言绝句《春雪》大概很符合最近的天气，尽管冬天似乎还舍不得离去，但仍无法抵挡春天翩跹而至的脚步。一直以来春天都被人视为是充满生机，万物复苏的季节，在寒冷的冬天进入冬眠期的各种动物们也开始逐渐苏醒。对于研究人员而言，在冬眠期间，冬眠动物始终保持静止，饥饿的状态。正常情况下，这种状态会促使机体分解肌肉蛋白以产生能量供身体所需，理应会出现肌肉萎缩的情况，那冬眠动物是如何避免肌肉蛋白被分解的呢？近日，Science上刊登的研究可能给出了较为可靠的答案。来自美国威斯康星大学麦迪逊分校兽医学院的名誉教授HannahCarey和生化学教授FaribaAssadi-Porter共同领导的研究团队在Science上发表了名为Nitrogenrecyclingviagutsymbiontsincreasesingroundsquirrelsoverthehibernationseason的研究[1]。
研究选取47只地松鼠（Ictidomystridecemlineatus）作为研究对象，证实了肠道微生物群能够分解宿主代谢产生的尿素，生成的氮会被宿主回收利用，帮助冬眠时宿主维持其蛋白质稳态。冬眠是一种生物学现象，是部分动物在面对寒冷冬天，避开食物匮乏的一个“法宝”。冬天漫长，气温低且食物短缺，冬眠动物会选择进入“超级节能”状态，降低自身的体温，新陈代谢以及其它生理活动，减少自身能量的消耗。如地松鼠，在冬眠状态下可以减缓高达99%的新陈代谢。本文的通讯作者HannahCarey教授表示：“通常，任何动物在长期不运动的情况下，肌肉都会出现萎缩的现象，失去其原本的质量和功能。冬眠动物可以幸免于难，意味着在没有摄取任何膳食蛋白的情况下，冬眠动物需要额外的方式来获取肌肉所需的营养物质。”关于肌肉分解，氮元素的流失是最核心的问题。经过新陈代谢，氮元素会以尿素的形式积累在动物体内，通常会随尿液排出体外。作为构建氨基酸的关键元素，氮元素在冬眠动物体内的循环路径成了研究人员的突破口。
在以往的研究中曾证实，进入松鼠消化道的尿素会被部分肠道微生物群分解，肠道微生物群会用分解形成的氮来合成它们自身所需的蛋白质。那么由肠道微生物群释放出的尿素氮是否也会进入宿主（松鼠）体内，为宿主自身蛋白质的合成贡献一份力量呢？为了验证这一猜想，研究人员展开了一系列研究，研究人员利用同位素示踪法，将可追踪的碳和氮同位素制成的尿素选取三个不同的时间段通过腹腔注射，注射至地松鼠体内，分别是：夏季，代谢较为活跃；初冬，地松鼠开始进入冬眠，禁食1个月；晚冬，地松鼠冬眠末期，禁食3～4个月。同时，研究人员还设置了对照组（Depleted），对部分地松鼠进行抗生素处理，耗尽其肠道微生物群。结果证实：微生物尿素分解在整个冬眠过程中持续进行，在肠道微生物完整的地松鼠组中，尿素浓度很低，而清除肠道微生物的地松鼠组中，尿素浓度很高。同时，研究人员在地松鼠的盲肠中发现了含碳13代谢产物，这表明被标记的尿素在被肠道微生物群降解后，会释放到地松鼠体内进行代谢。本文的共同通讯作者FaribaAssadi-Porter教授表示：“在这次实验中，我们追踪发现，经过标记的氮主要集中于松鼠的肝脏，用于蛋白质的生成，另一部分经过标记的氮会以氨或者谷氨酰胺的形式进入肌肉。我们追踪到了被同位素标记的氮从宿主转移到肠道微生物群，降解后又转化为可被宿主利用的氮，回归到宿主的整个过程。本质上，可以将其形容成氮在冬眠动物体内的‘循环’”。同时，研究人员还对地松鼠的肠道微生物群进行了基因组测序分析，结果显示在七个脲酶相关基因中，随着冬季冬眠的延长，与催化产生尿素的酶——脲酶的相关基因表达上调，Carey教授表示：“动物无法自主产生脲酶，只有表达脲酶的微生物才能分解尿素并释放其氮，可以将这个过程看作是肠道微生物群与宿主之间的一笔交易，肠道微生物群会降解尿素释放氮来帮助宿主渡过难关，直到冬眠结束。”这项新研究揭示了肠道微生物是如何帮助冬眠动物循环营养，维持肌肉过冬的机制。对于人类同样有着重要意义，这些机制有望为肌肉萎缩患者提供治疗的思路。同时，此次研究的发现还可能会助力于人类奔赴，探索遥远宇宙。为了实现飞船重量的最优化，节省燃料以及减少废料生产，二氧化碳的产生，让宇航员进入类似冬眠的状态一直是研究的热点。研究的共同作者MatthewRegan教授就表示：“在太空中，宇航员长时间暴露在微重力状态下，可能会引起肌肉萎缩。此次研究的发现，可以为降低宇航员在太空中的肌肉损失率提供科学依据，如果可以应用在人类身上，类似冬眠的状态可能可以解决人类探索太空的众多挑战”。(18)参考文献：[1].HannahCarey.FaribaAssadi-Porter.MatthewRegan.Nitrogenrecyclingviagutsymbiontsincreasesingroundsquirrelsoverthehibernationseason.[J].Science..01..