Тринадцятисмугові суслики під час сплячки не їдять до шести місяців. В результаті в їх організм не надходить азот, що загрожує порушеннями білкового обміну і деградацією м'язової тканини. Впоратися з цією проблемою сусликам допомагають кишкові бактерії. Симбіонти перетворюють вироблену гризунами сечовину в аміак, дозволяючи повторно використовувати азот, що міститься в ній, для виробництва білків. Крім того, вони допомагають економити воду. Як зазначається у статті для журналу, такий механізм вперше описано для ссавців, які впадають у сплячику.
Багато ссавців, від однопрохідних і сумчастих до гризунів і приматів, впадають у сплячку, щоб пережити важкі часи. Наприклад, тринадцятисмугові суслики в Північній Америці () проводять у цьому стані до шести місяців. Сплячі гризуни нічого не їдять, що дозволяє їм впоратися із зимовою безгодівницею. Однак під час довгого голодування в їхній організм не надходить азот, а це загрожує збоями білкового обміну і руйнуванням м'язової тканини. Дослідження показують, що суслики успішно справляються з цією проблемою: протягом зими їх м'язова маса практично не зменшується, а незадовго до пробудження швидкість синтезу білка в м'язах навіть збільшується до рівня активного сезону. Тим не менш, досі залишалося неясним, як саме їм це вдається.
Команда біологів під керівництвом Ханни Кері (Hannah V. Carey) з Вісконсинського університету в Медісоні вирішила перевірити гіпотезу, згідно з якою сусліки переживають зиму завдяки допомозі уреолітичних бактерій кишечника. Передбачається, що ці симбіотичні мікроорганізми переробляють сечовину в аміак, підтримуючи тим самим запаси азоту і синтез білків в організмі господарів. Такий механізм рекуперації азоту раніше був описаний для жуйних (Ruminantia) і деяких нежиттєвих ссавців, але не у видів, що впадають у сплячку.
Кері та її колеги проаналізували метаболізм сусликів у різні періоди року: влітку, коли ці гризуни активні; в перший місяць сплячки і голодування; а також на третій-четвертий місяці сплячки. Дослідники робили піддослідним гризунам по дві ін'єкції 13C, 15N-сечовини, а потім відстежували долю цих ізотопів. Щоб оцінити роль симбіотичних бактерій у цьому процесі, частину особин обробили антибіотиками.
Як і у інших ссавців, сечовина в організмі сусликів синтезується в печінці, після чого потрапляє в кровотік і виводиться нирками. Однак деяка кількість сечовини завдяки роботі епітеліальних білків-переносників виділяється в просвіт кишечника, де уреолітичні бактерії гідролізують її до аміаку і вуглекислого газу. Керрі з колегами з'ясували, що взимку концентрація сечовини в плазмі крові сусликів нижче, ніж у літній період. Також вони виявили, що у особин, які не отримали ін'єкцію сечовини, кількість білків-переносників даного з'єднання в сліпій кишці в кінці зими приблизно втричі вище, ніж влітку. Можливо, низька концентрація сечовини в крові під час сплячки компенсується більш активним перенесенням цієї сполуки в кишечник.
Обробка сусликів антибіотиками в літній період призвела до більш активної експресії епітеліальних білків-переносників сечовини, зниження рівня сечовини в плазмі і зростання рівня сечовини в просвіті кишечника. Все це узгоджується з ідеєю, згідно з якою уреолітичні бактерії допомагають господарям рекуперувати азот. Ймовірно, зіткнувшись з браком симбіонтів, гризуни починають активніше постачати небагатьох сечовину, щоб отримувати достатню кількість аміаку. Автори припускають, що в нормальних умовах аміак у просвіті кишечника інгібує синтез білків-переносників сечовини, так що падіння його концентрації під час сплячки або через дефіцит уреолітичних бактерій запускає додаткове виробництво таких білків.
Щоб оцінити активність уреолітичних бактерій, Кері та її колеги проаналізували склад стабільних ізотопів у диханні сусликів після ін'єкції 13C, 15N-сечовини. У ссавців відсутні ферменти уреази необхідні для гідролізу сечовини. Таким чином, якщо введена в організм суслика сечовина розкладається на аміак і вуглекислий газ, це робота симбіотичних бактерій. Як і очікували автори, співвідношення 13C до 12C в диханні піддослідних особин з недоторканим мікробіомом збільшилося, що свідчить про розщеплення введеної сечовини в їх організмі. При цьому у сусликів, оброблених антибіотиками і позбавлених значної частини симбіонтів, співвідношення 13C:12C залишилося колишнім. Хоча влітку розщеплення сечовини йшло активніше через вищу чисельність бактерій, воно тривало протягом всієї зими.
Метагеномний аналіз показав, що в кишковому мікробіомі сусликів, що знаходяться в сплячці, сильніше представлені сім генів, пов'язаних з виробленням ферменту уреази. Ймовірно, під час зимової сплячки серед симбіонтів зростає частка тих, що здатні розщеплювати сечовину. Дійсно, чисельність уреолітичних бактерій з роду в організмі сусликів з літа до кінця зими зростає приблизно в шість разів.
Скориставшись спектроскопією ядерного магнітного резонансу, автори проаналізували хімічний склад вмісту сліпої кишки і метаболітів печінки сусликів, яким ввели 13C, 15N-сечовину. Виявилося, що в організмі особин з недоторканим мікробіомом концентрація 15N вища, ніж у їхніх сородичів, які зазнали обробки антибіотиками. Аналогічна картина була відзначена для окремих сполук, включаючи аміак, глутамін і аланін. Вміст метаболітів з 15N також залежав від сезону. У сліпій кишці їх було більше влітку, ніж взимку. Навпаки, в печінці максимальна кількість метаболітів з вмістом 15N було відзначено в кінці зими. Вміст 15N в білках м'язової тканини також залежав від наявності симбіотичних мікроорганізмів (але лише в тих випадках, коли між ін'єкцією сечовини і взяттям зразка тканин пройшло достатньо часу).
Цікаво, що 15N найактивніше включався в м'язові білки наприкінці зими, коли бактерії найменш інтенсивно розщеплювали сечовину. Ймовірно, це пов'язано з тим, що в даний період року білків-переносників на поверхні кишечника особливо багато і вони поставляють в його просвіт досить сечовини. Частка уреолітичних симбіонтів у мікробіомі при цьому найбільш висока. В результаті навіть малої активності бактерій достатньо, щоб виробити аміак в необхідних обсягах. Крім того, взимку симбіонти частіше гинуть, забезпечуючи організм господаря додатковими метоболітами з вмістом азоту.
Кері зі співавторами вважають, що аміак, вироблений симбіотичними бактеріями на основі зекономленої сечовини, поглинається поверхнею кишечника, після чого прямує в печінку. Тут він перетворюється на глутамін за участю ферменту глутамінсинтетази, який зберігає високу активність протягом всієї зими. Зазвичай аміак у печінці перетворюється на сечовину, однак під час сплячки метаболічні процеси зсуваються в бік виробництва глутаміну. Таким чином, щоб повторно використовувати сечовину і захиститися від дефіциту азоту, суслики використовують не тільки допомогу симбіотичних бактерій, але і перебудовують власний метаболізм.
Можливість уникнути дефіциту азоту і руйнування м'язової тканини - не єдина перевага повторного використання сечовини. Для виведення цієї речовини з сечею потрібно витратити воду - проте її слід економити, оскільки під час сплячки суслики не п'ють. Розщеплення сечовини на аміак і вуглекислий газ силами симбіотичних бактерій дозволяє витрачати воду набагато більш економно.
Раніше ми розповідали про те, як біологи порівняли геноми чотирьох видів звірів з різних загонів, що впадають у сплячку (включаючи тринадцятисмугових сусликів), і знайшли у них спільні ділянки, які еволюціонують швидше середнього. Більшість з них мають регуляторні функції і розташовані поруч з генами, які відповідають за розвиток ожиріння у людей.