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 находиться без движения.
Учёные 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 всё 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.
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.
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.