Lo studio rivela i meccanismi molecolari dietro il letargo nei mammiferi

La loro ricerca, su piccoli e grandi mammiferi ibernati, è descritta dagli editori come uno studio importante che fa avanzare la nostra conoscenza del ruolo della struttura della miosina e del consumo di energia sui meccanismi molecolari dell’ibernazione, supportato da solida metodologia e prove. I risultati suggeriscono anche che la miosina – un tipo di proteina motrice coinvolta nella contrazione muscolare – svolge un ruolo nella termogenesi senza brividi durante l’ibernazione, dove il calore viene prodotto indipendentemente dall’attività muscolare dei brividi.

L’ibernazione è una strategia di sopravvivenza utilizzata da molti animali, caratterizzata da uno stato di profonda dormienza e profonde riduzioni dell’attività metabolica, della temperatura corporea, della frequenza cardiaca e della respirazione. Durante il letargo, gli animali fanno affidamento sulle riserve energetiche immagazzinate, in particolare sui grassi, per sostenere le loro funzioni corporee. Il rallentamento metabolico consente agli ibernanti di conservare energia e sopportare lunghi periodi di scarsità di cibo e condizioni ambientali difficili durante l’inverno. Tuttavia, i meccanismi cellulari e molecolari alla base dell’ibernazione rimangono ancora non completamente compresi.

I mammiferi più piccoli in letargo sperimentano periodi prolungati di uno stato ipometabolico chiamato torpore, che diminuisce significativamente la loro temperatura corporea ed è punteggiato da periodi spontanei di risvegli eutermici intercalari (IBA) – in cui aumentano temporaneamente la temperatura corporea per ripristinare alcune funzioni fisiologiche, come come eliminare gli sprechi e mangiare più cibo. Ciò contrasta con i mammiferi più grandi, la cui temperatura corporea si riduce molto meno durante il letargo e rimane abbastanza costante. Il muscolo scheletrico, che comprende circa la metà della massa corporea di un mammifero, svolge un ruolo chiave nel determinare la produzione di calore e il consumo di energia.

“Fino a poco tempo fa si pensava che il consumo di energia nei muscoli scheletrici fosse legato principalmente all’attività della miosina, coinvolta nella contrazione muscolare. Tuttavia, vi sono prove sempre più evidenti che, anche quando sono rilassati, i muscoli scheletrici utilizzano ancora una piccola quantità di energia. energia”, spiega l’autore principale Christopher Lewis, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze Biomediche, Università di Copenhagen, Danimarca. “Le teste di miosina nei muscoli passivi possono trovarsi in diversi stati di riposo: lo stato ‘disordinato-rilassato’, o stato DRX, e lo stato ‘super-rilassato’, o SRX. Le teste di miosina nello stato DRX consumano ATP, la valuta energetica della cella – tra cinque e dieci volte più veloci di quelli nello stato SRX.”

Lewis e colleghi hanno ipotizzato che i cambiamenti nella proporzione di miosina negli stati DRX o SRX possano contribuire al ridotto consumo di energia osservato durante l’ibernazione. Per testarlo, hanno prelevato campioni di muscoli scheletrici da due piccoli ibernatori – lo scoiattolo terrestre a tredici linee e il ghiro – e da due grandi ibernatori – l’orso nero americano e l’orso bruno.

Innanzitutto, hanno cercato di stabilire se gli stati della miosina e i rispettivi tassi di consumo di ATP fossero diversi tra i periodi attivi e quelli di ibernazione. Hanno esaminato le fibre muscolari prelevate dalle due specie di orsi durante la fase estiva attiva (SA) e il periodo di ibernazione invernale. Non hanno trovato differenze nella proporzione di miosina nello stato DRX o SRX tra le due fasi. Per misurare il tasso di consumo di ATP da parte della miosina, hanno utilizzato un test specializzato chiamato Mant-ATP Chase Assay. Ciò ha rivelato che non ci sono stati cambiamenti nemmeno nei tassi di consumo energetico della miosina. Ciò potrebbe servire a prevenire l’insorgenza di un significativo deperimento muscolare negli orsi durante il letargo.

Il team ha inoltre condotto il test di caccia Mant-ATP su campioni prelevati dai piccoli mammiferi durante SA, IBA e torpore. Come negli ibernatori più grandi, non hanno osservato alcuna differenza nella percentuale di teste di miosina nella formazione SRX o DRX tra le tre fasi. Tuttavia, hanno scoperto che il tempo di turnover dell’ATP delle molecole di miosina in entrambe le formazioni era inferiore nella fase IBA e nel torpore rispetto alla fase SA, portando a un aumento complessivo inaspettato del consumo di ATP.

Poiché i piccoli mammiferi subiscono un calo più significativo della temperatura corporea durante il letargo rispetto ai grandi mammiferi, il team ha testato se questo aumento inaspettato del consumo di ATP si verificasse anche a temperature più basse. Hanno eseguito nuovamente il test Chase Mant-ATP a 8°C, rispetto alla temperatura ambiente di laboratorio di 20°C utilizzata in precedenza. L’abbassamento della temperatura ha ridotto i tempi di turnover dell’ATP legati a DRX e SRX in SA e IBA, portando ad un aumento del consumo di ATP. È noto che gli organi metabolici, come i muscoli scheletrici, aumentano la temperatura corporea interna in risposta a una significativa esposizione al freddo, inducendo brividi o attraverso la termogenesi senza brividi. L’esposizione al freddo ha causato un aumento del consumo di ATP da parte della miosina nei campioni ottenuti durante SA e IBA, suggerendo che la miosina può contribuire alla termogenesi senza tremore nei piccoli ibernatori.

Il team non ha osservato cambiamenti indotti dal freddo nel consumo di energia della miosina nei campioni ottenuti durante il torpore. Suggeriscono che questo sia probabilmente un meccanismo protettivo per mantenere la bassa temperatura corporea interna e un più ampio arresto metabolico, osservato durante il torpore.

Infine, i ricercatori volevano comprendere i cambiamenti che avvengono a livello proteico durante le diverse fasi di ibernazione. Hanno valutato se l’ibernazione influisce sulla struttura di due proteine ​​della miosina dello scoiattolo terrestre a tredici linee: Myh7 e Myh2. Sebbene non abbiano osservato alcun cambiamento correlato all’ibernazione nella struttura di Myh7, hanno scoperto che Myh2 subiva una significativa fosforilazione – un processo cruciale per l’immagazzinamento di energia – durante il torpore, rispetto a SA e IBA. Hanno inoltre analizzato la struttura delle due proteine ​​nell’orso bruno, non trovando differenze strutturali tra SA e ibernazione. Concludono quindi che l’iperfosforilazione di Myh2 è specificamente associata al torpore, piuttosto che all’ibernazione in generale, e propongono che ciò serva ad aumentare la stabilità della miosina nei piccoli mammiferi. Ciò potrebbe agire come un potenziale meccanismo molecolare per mitigare gli aumenti associati alla miosina nella spesa dei muscoli scheletrici in risposta all’esposizione al freddo durante i periodi di torpore.

I redattori di eLife sottolineano che alcune aree dello studio meritano ulteriori approfondimenti. I campioni muscolari sono stati cioè prelevati esclusivamente dalle zampe degli animali studiati. Dato che la parte centrale del corpo e gli arti hanno temperature diverse, l’analisi di campioni muscolari provenienti da altre aree del corpo convaliderebbe ulteriormente i risultati del team.

“Complessivamente, i nostri risultati suggeriscono che gli adattamenti del turnover dell’ATP negli stati della miosina DRX e SRX si verificano in piccoli mammiferi come lo scoiattolo terricolo a tredici linee durante il letargo in ambienti freddi. Al contrario, i mammiferi più grandi come l’orso nero americano non mostrano tali cambiamenti, probabilmente a causa alla loro temperatura corporea stabile durante il letargo”, conclude l’autore senior Julien Ochala, professore associato presso il Dipartimento di scienze biomediche dell’Università di Copenaghen. “I nostri risultati suggeriscono anche che la miosina può contribuire alla termogenesi del muscolo scheletrico senza brividi durante l’ibernazione.”