Ученые Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН совместно с коллегами из Института биофизики клетки РАН и Кубанского государственного университета нашли механизм, который помогает животным в спячке избежать «нехорошей атрофии мышц». Результаты работы, опубликованные в Scientific Reports, открывают новые возможности в реабилитации людей, вынужденных длительное время находится без движения.

Ученые давно исследуют молекулярные механизмы зимней спячки, или, по-научному, гибернации животных. Но до сих пор оставалось загадкой, как такие звери переживают длительное обездвиживание без патологических последствий для организма. Почему их мышцы, в частности, скелетные, при столь долгой невостребованности не атрофируются, а после пробуждения практически сразу возвращаются к нормальной работе? Человек, который неделю не вставал с постели, испытает трудности с передвижением, а гибернанты, гораздо дольше пребывающие в состоянии неподвижности, — почти не ощутят дискомфорта. Суслики, например, после трехнедельной спячки просыпаются в течение 2-3 часов, за это время разогреваясь от температуры 2-3 градусов С до 37-38 градусов С. И при этом чувствуют себя нормально: двигаются, нападают, убегают, кусаются, — в общем, живут. Как же им удается избежать жесткой мышечной атрофии?

Известно, что в процессе эволюции у этих животных выработались механизмы, способствующие замедлению атрофии в период спячки и, наоборот, активации синтеза белка в периоды кратковременных межбаутных пробуждений (суслики спят очень долго — до 7 месяцев в году, но за это время несколько раз ненадолго, на 10-12 часов просыпаются). За эти кратковременные выходы из спячки и «зацепилась» группа ученых ИТЭБ РАН.

«Мы предположили, что в периоды межбаутной активности у животных будет увеличиваться синтез всех белков, что немного или полностью восстановит массу мышц, атрофированных при спячке. И поскольку таких периодов у сусликов несколько за весь сезон спячки, то такие межбаутные пробуждения с увеличением синтеза белка и будут вносить вклад в снижение атрофии», — рассказывает заведующий лабораторией структуры и функций мышечных белков ИТЭБ РАН Иван Вихлянцев.

Для проверки этой гипотезы ученые совместно с коллегами из Лаборатории механизмов природных гипометаболических состояний Института биофизики клетки РАН замеряли синтез белков у активных, летних сусликов и их собратьев, пребывающих в периодах межбаутного пробуждения. Зверьков в глубокой спячке вовсе не беспокоили: в этом состоянии, когда их температура тела падает до минимума, зарегистрировать синтез белков в организме известными науке способами пока невозможно.

Для измерений использовали метод SUnSET (surfacesensing of translation — нерадиоактивный метод выявления скорости синтеза белка в организме in vivo). Для этого животным делали укол антибиотика пуромицина, который является ингибитором синтеза белков. В результате ингибирования получались пуромицин-связанные пептиды, которые ученые подвергали всестороннему анализу, после чего делали выводы об уровне синтеза белка в подопытных группах сусликов. Результаты экспериментов превзошли ожидания.

«Оказалось, что все не так, как мы думали ранее. Синтез общего белка (всех белков) был выше в мышцах контрольных животных, то есть летних, а вот синтез некоторых саркомерных, мышечных белков, в частности, титина и небулина, у проснувшихся сусликов оказался такой же или чуть выше, чем у активных летних. Получилось, что не все белки синтезируются в периоды межбаутной активности, а только некоторые. Те, которые поддерживают саркомерную структуру миофибрилл — компонентов, занимающих до 85% от площади скелетного волокна. Вот поэтому атрофия и не прогрессирует», — поясняет Иван Вихлянцев.

На фото авторы работы: Зав. лабораторией структ...

На фото авторы работы: Зав. лабораторией структуры и функций мышечных белков ИТЭБ РАН, д.б.н Иван Вихлянцев, м.н.с. Светлана Попова, с.н.с., к.б.н Александр Бобылев. Фото пресс-службы ИТЭБ РАН

Таким образом, был найден молекулярный механизм — поддержание уровня саркомерных белков в течение всего периода зимней спячки, — направленный на уменьшение степени мышечной атрофии у гибернантов. Полученные результаты позволят разработать новые подходы, использующие активацию синтеза конкретных белков, для восстановления пациентов, лежащих с переломами нижних конечностей, или космонавтов, которые длительное время пребывают в состоянии невесомости.

Источник: Svetlana Popova, Anna Ulanova, Yulia Gritsyna, Nikolay Salmov, Vadim Rogachevsky, Gulnara Mikhailova, Alexander Bobylev, Liya Bobyleva, Yana Yutskevich, Oleg Morenkov, Nadezda Zakharova, Ivan Vikhlyantsev. Predominant synthesis of giant myofibrillar proteins in striated muscles of the long-tailed ground squirrel Urocitellus undulatus during interbout arousal. Sci Rep. 2020 Sep 16;10(1):15185. doi: 10.1038/s41598-020-72127-y.

Материал подготовила: Наталья Быкова

Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru