灰熊会经历数月的冬眠，但它们的肌肉并不会因为缺乏运动而受损。在科学报告杂志上，由Michael Gotthardt领导的一个团队报告了它们是如何做到这一点的。灰熊的策略也可能有助于防止人类肌肉萎缩。
一只灰熊一年只经历三个季节。它的活跃期从三月到五月开始。大约在九月，熊开始大量进食。然后在十一月到一月之间的某个时间，它进入冬眠。从生理角度来看，这是最奇怪的时期。熊的新陈代谢和心率迅速下降。它既不排尿也不排便。血液中的氮含量急剧增加，熊对胰岛素激素产生抵抗力。
一个人几乎不可能在这种健康状态下度过这四个月的阶段。之后，他或她很可能会不得不应对血栓或心理变化。尤其是肌肉会因这种长期的不使用而受损。任何曾经在几周内手臂或腿部打过石膏或因病长时间卧床的人可能都经历过这种情况。
但灰熊并非如此。在春天，熊从冬眠中醒来，可能一开始还有点迟钝，但其他方面都很好。许多科学家一直对熊适应其三个季节的策略感兴趣。
由柏林Max Delbrueck分子医学中心（MDC）的神经肌肉和心血管细胞生物学组负责人Michael Gotthardt教授领导的一个团队，现在已经研究了熊的肌肉是如何几乎无损地度过冬眠的。来自柏林、格赖夫斯瓦尔德和美国的科学家特别感兴趣的问题是，熊的肌肉细胞中的哪些基因被转录并转化为蛋白质，以及这对细胞有什么影响。
“肌肉萎缩是一个真正的人类问题，在许多情况下都会发生。我们仍然不太擅长预防它，”该研究的主要作者Douaa Mugahid博士说，他曾是Gotthardt研究小组的成员，现在在波士顿哈佛医学院系统生物学系Marc Kirschner教授的实验室担任博士后研究员。
“对我来说，我们工作的美丽之处在于学习自然是如何在冬眠的困难条件下完善维持肌肉功能的方法，”Mugahid说。“如果我们能更好地理解这些策略，我们将能够开发新的和非直观的方来更好地预防和治疗患者的肌肉萎缩。”
为了理解熊的技巧，由Mugahid和Gotthardt领导的团队在冬眠期间和冬眠之间检查了从华盛顿州立大学获得的灰熊肌肉样本。“通过结合尖端的测序技术与质谱分析，我们想确定在冬眠期间和冬眠之间哪些基因和蛋白质被上调或关闭，”Gotthardt解释道。
“这个任务被证明是棘手的——因为灰熊的全基因组和蛋白质组，即所有蛋白质的总和，都是未知的，”MDC科学家说。在进一步的步骤中，他和他的团队将这些发现与对人类、老鼠和线虫的观察进行了比较。
研究人员在“科学报告”杂志上报告说，他们在实验中发现了影响熊在冬眠期间氨基酸代谢的蛋白质。结果，其肌肉细胞含有更高量的某些非必需氨基酸（NEAAs）。
“在人类和老鼠的肌肉细胞的实验中，这些细胞显示出肌肉萎缩，细胞生长也可以通过NEAAs来刺激，”Gotthardt说，并补充道，“然而，从早期的临床研究中已知，以药片或粉末形式给予氨基酸不足以防止老年人或卧床病人的肌肉萎缩。”
“显然，肌肉自己产生这些氨基酸是很重要的——否则这些氨基酸可能无法到达需要它们的地方，”MDC科学家推测。他说，一个治疗起点可能是尝试在较长的休息期间通过激活相应的代谢途径来诱导人类肌肉自己产生NEAAs。
为了找出需要在肌肉中激活哪些信号通路，Gotthardt和他的团队比较了灰熊、人类和老鼠的基因活性。所需的数据来自老年或卧床病人和患有肌肉萎缩的老鼠——例如，由于应用石膏后的运动减少。“我们想找出哪些基因在冬眠和不冬眠的动物之间被不同地调节，”Gotthardt解释道。
然而，科学家们遇到了一系列这样的基因。为了缩小可能成为肌肉萎缩治疗起点的候选基因，团队随后进行了线虫实验。“在线虫中，可以相对容易地使单个基因失活，并且可以快速看到这对肌肉生长的影响，”Gotthardt解释道。
借助这些实验，他的团队现在已经找到了一些基因，他们希望在未来的老鼠实验中进一步研究这些基因的影响。这些包括参与葡萄糖和氨基酸代谢的Pdk4和Serpinf1基因，以及有助于昼夜节律发展的Rora基因。“我们现在将检查这些基因失活的效果，”Gotthardt说。“毕竟，它们只有在副作用有限或没有副作用的情况下才适合作为治疗目标。”