Warum verkümmern die Muskeln der Bären im Winterschlaf nicht?

Einige Bären haben eine brillante Strategie, um den Winter zu überstehen: im Bett zu bleiben.

Natürlich halten nicht alle Bären den Winterschlaf, und selbst diejenigen, die dies tun, befinden sich möglicherweise technisch in einem Zustand namens Erstarrung, nicht im wahren Winterschlaf. Das lange Winterschläfchen eines Bären kann sie jedoch vor lebensbedrohlicher Kälte und Hunger bewahren, bis sich das Wetter erwärmt.

Bären mästen, bevor der Winter kommt, reduzieren dann ihre Herzfrequenz und ihren Stoffwechsel im Winterschlaf und lassen sie den schlimmsten Winter durchschlafen, ohne sich um Nahrung sorgen zu müssen. Aber wie können Bären während einer solchen sitzenden Phase eine Muskelatrophie vermeiden, da der Winterschlaf monatelang kaum Bewegung beinhalten kann?

Das wollte ein Forscherteam mit einer neuen Studie über Grizzlybären im Winterschlaf lernen, die in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde. Abgesehen davon, dass die Bären selbst Licht ins Dunkel bringen, könnte diese Forschung auch unserer Spezies zugute kommen, indem sie uns hilft, die Muskelschwäche zu begrenzen, die häufig auftritt, wenn Menschen für längere Zeit bettlägerig oder auf andere Weise immobilisiert sind.

"Muskelatrophie ist ein echtes menschliches Problem, das unter vielen Umständen auftritt. Wir sind immer noch nicht sehr gut darin, es zu verhindern", sagt die Hauptautorin Douaa Mugahid, Postdoktorandin an der Harvard Medical School, in einer Erklärung. "Für mich war es das Schöne an unserer Arbeit zu lernen, wie die Natur einen Weg perfektioniert hat, um Muskelfunktionen unter den schwierigen Bedingungen des Winterschlafes aufrechtzuerhalten. Wenn wir diese Strategien besser verstehen können, werden wir in der Lage sein, neuartige und nicht intuitive Methoden zu entwickeln Muskelatrophie bei Patienten besser verhindern und behandeln. "

Gefahren des Winterschlafes

Ein männlicher Braunbär taucht aus dem Winterschlaf im Ranua Zoo in Finnland auf. (Foto: Kaisa Sirene / AFP / Getty Images)

Während es sich gut anhört, den ganzen Winter in den Schlaf zu rollen, würde ein langwieriger Schlaf wie dieser den menschlichen Körper verwüsten, betonen Mugahid und ihre Co-Autoren. Eine Person würde wahrscheinlich unter Blutgerinnseln und psychischen Effekten leiden, zusammen mit einem signifikanten Verlust an Muskelkraft aufgrund von Nichtgebrauch, ähnlich dem, was wir erleben, wenn wir ein Glied in einem Gipsverband haben oder längere Zeit im Bett bleiben müssen.

Grizzlybären scheinen jedoch ziemlich gut mit dem Winterschlaf umzugehen. Sie mögen etwas träge und hungrig sein, wenn sie im Frühling aufwachen, aber das war es auch schon. In der Hoffnung zu verstehen, warum, untersuchten Mugahid und ihre Kollegen Muskelproben von Grizzlybären während des Winterschlafes sowie aktivere Jahreszeiten.

"Durch die Kombination modernster Sequenzierungstechniken mit Massenspektrometrie wollten wir feststellen, welche Gene und Proteine ​​während und zwischen den Winterschlafzeiten hochreguliert oder heruntergefahren werden", sagt Michael Gotthardt, Leiter der Gruppe Neuromuskuläre und Herz-Kreislauf-Zellbiologie an der Max-Delbrück-Zentrum für Molekulare Medizin (MDC) in Berlin.

Denken Sie daran

Ein Braunbär stapft in Finnland durch den Schnee. (Foto: ArCaLu / Shutterstock)

Die Experimente ergaben Proteine, die den Aminosäurestoffwechsel eines Bären während des Winterschlafes "stark beeinflussen", berichten die Forscher, was zu höheren Konzentrationen bestimmter nicht essentieller Aminosäuren (NEAAs) in den Muskelzellen eines Bären führt. Das Team verglich auch die Ergebnisse von Bären mit Daten von Menschen, Mäusen und Nematoden.

"In Experimenten mit isolierten Muskelzellen von Menschen und Mäusen, die Muskelatrophie aufweisen, könnte das Zellwachstum auch durch NEAAs stimuliert werden", sagt Gotthardt. Frühere klinische Studien haben jedoch gezeigt, "dass die Verabreichung von Aminosäuren in Form von Pillen oder Pulvern nicht ausreicht, um eine Muskelatrophie bei älteren oder bettlägerigen Menschen zu verhindern", fügt er hinzu.

Dies legt nahe, dass es für den Muskel wichtig ist, diese Aminosäuren selbst zu produzieren, erklärt er, da die bloße Einnahme sie möglicherweise nicht dorthin bringt, wo sie benötigt werden. Anstatt zu versuchen, die Muskelschutztechnik eines Bären in Form von Pillen nachzuahmen, könnte eine bessere Therapie für den Menschen den Versuch beinhalten, menschliches Muskelgewebe dazu zu bringen, NEAAs selbst herzustellen. Zunächst müssen wir jedoch wissen, wie die richtigen Stoffwechselwege bei Patienten mit einem Risiko für Muskelatrophie aktiviert werden können.

Um herauszufinden, welche Signalwege im Muskel aktiviert werden müssen, verglichen die Forscher die Aktivität von Genen in Grizzlybären mit denen von Menschen und Mäusen. Die menschlichen Daten stammten von älteren oder bettlägerigen Patienten, während die Mausdaten von Mäusen stammten, bei denen eine Muskelatrophie auftrat, die durch einen Gipsverband verursacht wurde, der die Bewegung reduzierte.

"Wir wollten herausfinden, welche Gene zwischen Tieren, die Winterschlaf halten, und solchen, die dies nicht tun, unterschiedlich reguliert werden", sagt Gotthardt.

Nächste Schritte

Eine Grizzlybärensau führt ihre Jungen im Grand Teton National Park durch den Schnee. (Foto: Chase Dekker / Shutterstock)

Sie fanden jedoch viele Gene, die dieser Beschreibung entsprachen, und brauchten daher einen anderen Plan, um die Liste der Kandidaten für eine Muskelatrophietherapie einzugrenzen. Sie führten weitere Experimente durch, diesmal mit winzigen Tieren, die Nematoden genannt wurden. Bei Nematoden erklärt Gotthardt: "Einzelne Gene können relativ leicht deaktiviert werden und man kann schnell erkennen, welche Auswirkungen dies auf das Muskelwachstum hat."

Dank dieser Nematoden identifizierten die Forscher mehrere faszinierende Gene, die sie nun weiter untersuchen möchten. Zu diesen Genen gehören Pdk4 und Serpinf1, die am Metabolismus von Glukose und Aminosäuren beteiligt sind, sowie das Gen Rora, das unserem Körper hilft, zirkadiane Rhythmen zu entwickeln.

Dies ist eine vielversprechende Entdeckung, aber wie Gotthardt betont, müssen wir noch vollständig verstehen, wie dies funktioniert, bevor wir es an Menschen testen können. "Wir werden jetzt die Auswirkungen der Deaktivierung dieser Gene untersuchen", sagt er. "Schließlich eignen sie sich nur dann als therapeutische Ziele, wenn es nur begrenzte oder gar keine Nebenwirkungen gibt."

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