Studie enthüllt molekulare Mechanismen hinter dem Winterschlaf bei Säugetieren

Forscher haben Licht auf die molekularen Mechanismen geworfen, die dem Winterschlaf zugrunde liegen, und ihre Ergebnisse heute als veröffentlicht Rezensierter Vorabdruck In eLife.

Ihre Forschung an kleinen und großen Säugetieren im Winterschlaf wird von den Herausgebern als eine wichtige Studie beschrieben, die unser Wissen über die Rolle der Myosinstruktur und des Energieverbrauchs auf die molekularen Mechanismen des Winterschlafs erweitert und sich auf solide Methoden und Beweise stützt. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Myosin – eine Art Motorprotein, das an der Muskelkontraktion beteiligt ist – eine Rolle bei der Thermogenese ohne Zittern im Winterschlaf spielt, wo Wärme unabhängig von der Muskelaktivität beim Zittern erzeugt wird.

Der Winterschlaf ist eine von vielen Tieren angewandte Überlebensstrategie, die durch einen Zustand tiefer Ruhe und eine starke Verringerung der Stoffwechselaktivität, der Körpertemperatur, der Herzfrequenz und der Atmung gekennzeichnet ist. Im Winterschlaf sind Tiere zur Aufrechterhaltung ihrer Körperfunktionen auf gespeicherte Energiereserven, insbesondere Fette, angewiesen. Durch die Verlangsamung des Stoffwechsels können Winterschläfer Energie sparen und lange Perioden der Nahrungsknappheit und rauen Umweltbedingungen im Winter überstehen. Die zugrunde liegenden zellulären und molekularen Mechanismen des Winterschlafs sind jedoch noch nicht vollständig verstanden.

Kleinere Säugetiere im Winterschlaf erleben längere Phasen eines hypometabolischen Zustands namens Torpor, der ihre Körpertemperatur deutlich senkt und durch spontane Phasen euthermischer Erregungen (IBA) zwischen den Kämpfen unterbrochen wird – wobei sie vorübergehend ihre Körpertemperatur erhöhen, um einige physiologische Funktionen wiederherzustellen, wie z Abfall beseitigen und mehr essen.

Dies steht im Gegensatz zu größeren Säugetieren, deren Körpertemperatur im Winterschlaf deutlich weniger sinkt und einigermaßen konstant bleibt. Die Skelettmuskulatur, die etwa die Hälfte der Körpermasse eines Säugetiers ausmacht, spielt eine Schlüsselrolle bei der Wärmeproduktion und dem Energieverbrauch.

„Bis vor Kurzem ging man davon aus, dass der Energieverbrauch in der Skelettmuskulatur in erster Linie mit der Aktivität von Myosin zusammenhängt, das an der Muskelkontraktion beteiligt ist. Es gibt jedoch immer mehr Hinweise darauf, dass die Skelettmuskulatur auch im entspannten Zustand immer noch eine geringe Menge Energie verbraucht.“ „, erklärt Hauptautor Christopher Lewis, Postdoktorand am Department of Biomedical Sciences der Universität Kopenhagen, Dänemark.

„Myosinköpfe in passiven Muskeln können sich in verschiedenen Ruhezuständen befinden: im ‚ungeordnet-entspannten‘ oder DRX-Zustand und im ‚superentspannten‘ oder SRX-Zustand. Myosinköpfe im DRX-Zustand verbrauchen ATP – die Energiewährung von die Zelle – zwischen fünf und zehn Mal schneller als diejenigen im SRX-Zustand“, fügt Lewis hinzu.

Lewis und Kollegen stellten die Hypothese auf, dass Veränderungen im Anteil von Myosin im DRX- oder SRX-Zustand zu dem verringerten Energieverbrauch während des Winterschlafs beitragen könnten. Um dies zu testen, entnahmen sie Skelettmuskelproben von zwei kleinen Winterschlaftieren – dem Dreizehnzeiligen Ziesel und dem Gartenschläfer – und von zwei großen Winterschlaftieren – dem Amerikanischen Schwarzbären und dem Braunbären.

Zunächst wollten sie herausfinden, ob sich die Myosinzustände und ihre jeweiligen ATP-Verbrauchsraten zwischen aktiven Perioden und dem Winterschlaf unterscheiden. Sie untersuchten Muskelfasern, die den beiden Bärenarten während ihrer aktiven Sommerphase (SA) und ihrem Winterschlaf entnommen wurden.

Sie fanden keine Unterschiede im Anteil von Myosin im DRX- oder SRX-Zustand zwischen den beiden Phasen. Um die Rate des ATP-Verbrauchs durch Myosin zu messen, verwendeten sie einen speziellen Test namens Mant-ATP-Chase-Assay. Dabei zeigte sich, dass sich auch die Energieverbrauchsraten von Myosin nicht veränderten. Dies könnte dazu dienen, den Beginn eines erheblichen Muskelschwunds bei Bären während des Winterschlafs zu verhindern.

Das Team führte auch den Mant-ATP-Chase-Assay an Proben durch, die den kleinen Säugetieren während SA, IBA und Erstarrung entnommen wurden. Wie in den größeren Winterschlafphasen beobachteten sie keine Unterschiede im Prozentsatz der Myosinköpfe in der SRX- oder DRX-Formation zwischen den drei Phasen. Sie entdeckten jedoch, dass die ATP-Umsatzzeit der Myosinmoleküle in beiden Formationen in der IBA- und Erstarrungsphase im Vergleich zur SA-Phase kürzer war, was zu einem unerwarteten Gesamtanstieg des ATP-Verbrauchs führte.

Da bei kleinen Säugetieren die Körpertemperatur während des Winterschlafs stärker absinkt als bei großen Säugetieren, testete das Team, ob dieser unerwartete Anstieg des ATP-Verbrauchs auch bei niedrigeren Temperaturen auftrat. Sie führten den Mant-ATP-Chase-Assay erneut bei 8 °C durch, verglichen mit der zuvor verwendeten Laborumgebungstemperatur von 20 °C. Eine Senkung der Temperatur verringerte die DRX- und SRX-gebundenen ATP-Umsatzzeiten in SA und IBA, was zu einem Anstieg des ATP-Verbrauchs führte.

Stoffwechselorgane wie die Skelettmuskulatur erhöhen bekanntermaßen die Körperkerntemperatur als Reaktion auf starke Kälteeinwirkung, entweder durch Auslösen von Zittern oder durch Thermogenese ohne Zittern. Kälteeinwirkung führte zu einem Anstieg des ATP-Verbrauchs von Myosin in Proben, die während SA und IBA gewonnen wurden, was darauf hindeutet, dass Myosin zur nicht zitternden Thermogenese in kleinen Winterschläfern beitragen könnte.

Das Team beobachtete in Proben, die während der Erstarrung gewonnen wurden, keine kältebedingten Veränderungen des Myosin-Energieverbrauchs. Sie legen nahe, dass es sich dabei wahrscheinlich um einen Schutzmechanismus zur Aufrechterhaltung der niedrigen Körperkerntemperatur und einer umfassenderen Stoffwechselabschaltung handelt, die während der Erstarrung auftritt.

Schließlich wollten die Forscher die Veränderungen verstehen, die während der verschiedenen Winterschlafphasen auf Proteinebene auftreten. Sie untersuchten, ob der Winterschlaf die Struktur von zwei Myosinproteinen des dreizehnzeiligen Erdhörnchens, Myh7 und Myh2, beeinflusst. Obwohl sie keine mit dem Winterschlaf verbundenen Veränderungen in der Struktur von Myh7 beobachteten, stellten sie fest, dass Myh2 im Vergleich zu SA und IBA während der Erstarrung eine erhebliche Phosphorylierung durchlief – ein für die Energiespeicherung entscheidender Prozess.

Sie analysierten auch die Struktur der beiden Proteine ​​im Braunbären und fanden keine strukturellen Unterschiede zwischen SA und Winterschlaf. Sie kommen daher zu dem Schluss, dass die Myh2-Hyperphosphorylierung speziell mit Erstarrung und nicht mit dem Winterschlaf im Allgemeinen zusammenhängt, und schlagen vor, dass dies dazu dient, die Myosinstabilität bei kleinen Säugetieren zu erhöhen. Dies könnte ein möglicher molekularer Mechanismus sein, um den Myosin-bedingten Anstieg des Skelettmuskelverbrauchs als Reaktion auf Kälteeinwirkung in Phasen der Erstarrung abzuschwächen.

eLifeDie Herausgeber weisen darauf hin, dass einige Bereiche der Studie einer weiteren Untersuchung bedürfen. Die Muskelproben wurden nämlich ausschließlich aus den Beinen der untersuchten Tiere entnommen. Da der Körperkern und die Gliedmaßen unterschiedliche Temperaturen aufweisen, würde die Untersuchung von Muskelproben aus anderen Körperbereichen die Ergebnisse des Teams weiter bestätigen.

„Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass ATP-Umsatzanpassungen in den DRX- und SRX-Myosinzuständen bei kleinen Säugetieren wie dem dreizehnzeiligen Erdhörnchen während des Winterschlafs in kalten Umgebungen auftreten. Im Gegensatz dazu zeigen größere Säugetiere wie der amerikanische Schwarzbär keine derartigen Veränderungen, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist.“ zu ihrer stabilen Körpertemperatur während des Winterschlafs“, schließt der leitende Autor Julien Ochala, außerordentlicher Professor am Institut für Biomedizinische Wissenschaften der Universität Kopenhagen. „Unsere Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Myosin möglicherweise dazu beiträgt, dass die Skelettmuskulatur während des Winterschlafs nicht zittert.“