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责编｜酶美
#肠道菌群#
许多动物在食物短缺和寒冷时会降低其新陈代谢，进入冬眠状态，如广泛分布在北美草原上的十三条纹地松鼠（Ictidomystridecemlineatus）。这种地松鼠会进行长达6个月左右的冬眠。
然而对于哺乳动物来说，长期不活动和禁食会促使身体分解肌肉蛋白来创造能量来源。这一过程被称为肌肉萎缩，会产生铵，并进一步被转化为尿素。由于高浓度的尿素对哺乳动物的神经元具有毒性，因此尿素通常随尿液排出，从而造成身体不断失去氮。而氮对于蛋白质和核苷酸的合成至关重要，所以在正常活动情况下，哺乳动物需要通过饮食不断补充氮，而在冬眠情况下，哺乳动物是如何维持这一平衡的尚不清楚。
此前的研究已经表明，在冬眠期间，地松鼠的肌肉和活动能力几乎没有受到损害，而且在冬眠的后期，地松鼠可以将其肌肉蛋白质合成率提高到活动季节的水平。因此，有人猜测这种动物可以像反刍动物一样，利用其肠道微生物进行尿素氮循环再利用（Ureanitrogensalvaging），从而维持体内氮平衡，保持蛋白质平衡。
1月28日，来自威斯康星大学麦迪逊分校的FaribaM.Assadi-Porter和HannahV.Carey团队在Science上在线发表题为Nitrogenrecyclingviagutsymbiontsincreasesingroundsquirrelsoverthehibernationseason的文章。研究人员利用稳定同位素和宏基因组测序等技术证实了上述猜测，即具有分解尿素能力的肠菌可以帮助十三条纹地松鼠回收利用氮，从而维持蛋白质的平衡。
为了验证这一猜测，研究人员探究了3个时期的地松鼠：（1）夏季（活动季节）；（2）初冬（冬眠和禁食的第一个月）；（3）晚冬（冬眠和禁食的第3-4个月）。每个时期的地松鼠被分为2组，一组拥有正常的肠道菌群，另一组进行抗生素处理，以去除肠道菌群。
没有被肾脏排出的尿素可以通过上皮细胞表达的尿素通道蛋白B（UT-B）被吸收到肠腔中，从而被微生物分解利用。因此作者首先检测了血浆中尿素的含量和盲肠UT-B的含量。结果表明，与夏季相比，晚冬组地松鼠的血浆尿素含量显著降低，UT-B含量显著升高，提示血液中尿素的降低可能一定程度上是由吸收到肠道中的尿素增加所造成的。
进一步，为了检测微生物分解尿素的活性，研究人员给地松鼠腹腔注射了13C，15N标记的尿素，并进行了尿素呼吸试验。由于脊椎动物缺乏脲酶，因此在注射同位素标记的尿素后，如果呼出气体中13CO2:12CO2（δ13C）值逐步升高，则表明微生物具备分解尿素的能力。结果显示，注射尿素后，拥有完整肠道菌群的地松鼠呼出气体中的δ13C逐步升高，而抗生素处理后的地松鼠无明显变化，说明地松鼠的肠道菌群具备分解尿素的活性。
接着，研究人员对地松鼠的肠道菌群进行了分析，发现与夏季相比，冬眠期间地松鼠的肠道菌群中脲酶基因相对丰度更高。并且，拥有脲酶基因的Alistitis属在冬眠期间富集。
由于只有当微生物将尿素分解为氨基酸、氨等含氮化合物时，宿主才能受益。因此，研究人员使用核磁共振技术探究了盲肠和肝脏的代谢组。结果发现，与抗生素处理后的地松鼠相比，具有完整肠道菌群的地松鼠的盲肠和肝脏中具有更多15N代谢物，并且这类代谢物的变化趋势也具有季节性。
最后，研究人员利用同位素质谱法发现，拥有完整肠道菌群的地松鼠中，15N被用于合成肝脏和肌肉所需蛋白，而在缺乏肠道菌群的地松鼠中却没有发生这一现象。而且，晚冬组地松鼠肝脏和肌肉中15N蛋白的丰度是夏天组的2-3倍。
综上，该研究表明，地松鼠可以利用其肠道微生物进行尿素氮循环再利用，从而保证蛋白质的平衡。这一机制为冬眠动物提供了2大好处：（1）当缺乏饮食来源的氮时，这一机制可以增强蛋白质的合成，这对于冬眠后期即将进入繁殖季节的地松鼠尤为重要，可能会带来繁殖优势；（2）尿素氮循环可以将尿素从肾脏中转移，减少尿液产生所需的水，从而保护冬眠动物。
值得一提的是，同期，Science杂志还发表了FelixSommer和FredrikBckhed教授对该研究的评论文章Stayingstrongduringhibernation，提出这一机制可能有助于开发全新的肌肉萎缩症疗法。
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