Microbiota de la hibernació: els bacteris treballen mentre l’animal dorm

13 abril 2023

Click here for the English version: Hibernation microbiota

HIBERNACIÓ

La hibernació és un estat de mínima activitat i alentiment del metabolisme que duen a terme alguns animals —bàsicament els mamífers—, usualment durant l’hivern, encara que n’hi ha alguns que fan “estivació”. Quan hibernen, els baixa la temperatura, les freqüències cardíaca i de respiració, i el metabolisme en general. Aquest estat corporal fisiològic es coneix com a torpor.

Per exemple, els esquirols de terra (Figura 1 ) o les marmotes hibernen uns 6 mesos, de la tardor a la primavera, respirant un cop per minut, amb uns 5 batecs cardíacs per minut i la temperatura els baixa a només 5-10^oC. Aquest estat de torpor no és constant, sinó que cada 10-12 dies hi ha unes fases d’interrupció, on reviuen una mica durant unes 12 hores, els puja la temperatura (Figura 2),  tremolen una mica com per escalfar-se i el metabolisme s’activa (Carey et al. 2003), però ni mengen ni beuen ni defequen (Wilke 2020).

Figura 1. Un esquirol de terra (Ictidomys tridecemlineatus) hibernant. Imatge de R. Streiffer, treta de Garcia de Jesús (2022). 

———————

Figura 2. Temperatura corporal (T_b) d’un esquirol de terra al llarg de l’any, de juny a maig. Al període d’hibernació s’observen els cicles de llargues fases de torpor (10-12 dies) amb les petites fases d’interrupció (IBA, 12 hores) (Adaptat de Carey et al. 2003).

La hibernació serveix per mantenir i estalviar l’energia corporal quan no hi ha prou menjar disponible. Per això, abans d’hibernar i en general tots els mesos més càlids, aquests animals mengen molt, acumulant suficient reserves energètiques per al període hivernal. Tots ells hibernen en caus o coves, resguardats una mica del fred i altres inclemències exteriors.

El període d’hibernació és molt variable, des de poques setmanes a mesos, i pot ser obligat o facultatiu. També es distingeixen diferents nivells de hibernació, des d’hivernants profunds com molts rosegadors, el lèmur ratolí, l’eriçó i força marsupials, fins als hivernants més lleugers com els óssos. En aquests la temperatura corporal només els baixa uns 5^oC i en canvi en alguns rosegadors baixa més de 30^oC.

D’altra banda, els animals vertebrats ectotèrmics —de sang freda— com peixos, amfibis i rèptils, també baixen la seva activitat metabòlica i la temperatura corporal i entren en un estat de torpor, però no es considera hibernació perquè no ho fan de forma activa sinó que és en funció de l’ambient extern.

———————

METABOLISME DE LA HIBERNACIÓ

La hibernació és una estratègia dels mamífers que utilitza la plasticitat metabòlica per reduir les demandes d’energia i permetre dejunis de llarg termini. Per permetre aquests llargs períodes sense menjar, molts d’aquests animals mengen molt més abans d’hibernar, i acumulen greix corporal. Els óssos bruns per exemple arriben a doblar els dipòsits de greix i van consumint els lípids guardats al llarg de la hibernació. Encara que aquests óssos esdevenen obesos estacionalment, es mantenen metabòlicament sans, la qual cosa contrasta amb la forta relació entre obesitat i resistència a la insulina i altres problemes metabòlics que s’observen en els humans (Sommer et al. 2016).

El dejuni mitiga l’escassetat d’aliments hivernal però s’elimina el nitrogen de la dieta, amb la qual cosa posa en perill l’equilibri corporal de proteïna (Regan 2022). L’atròfia muscular deguda al dejú —o a la inactivitat— allibera compostos de nitrogen com l’amoni, que poden ser tòxics, i el cos n’ha d’eliminar l’excés, normalment en forma d’urea, mitjançant l’orina. Tanmateix, els animals hivernants com els molt estudiats esquirols de terra mantenen o perden molt poca massa muscular al llarg de l’hivern, i fins i tot a la fase final de la hibernació la taxa de síntesi de proteïnes augmenta fins a nivells semblants a quan estaran actius. Després veurem el paper de la microbiota en aquesta recuperació del nitrogen.

El coneixement de com aquests animals mantenen la massa muscular pot ajudar a trobar remei en el cas de les persones amb pèrdua muscular degut a malnutrició, sedentarisme forçat o malalties de desgast muscular (García de Jesús 2022).

———————

LA MICROBIOTA INTESTINAL DELS HIBERNANTS

Un dels mamífers hivernants més coneguts i estudiats és l’ós bru (Ursus arctos). Sommer et al. (2016) van fer un estudi amb 16 óssos bruns euroasiàtics en llibertat als boscos del centre i nord de Suècia, prenent-los mostres fecals i de sang per a l’estudi metabòlic, tant durant la hibernació (febrer-març) com al període actiu (juny). La microbiota fecal fou analitzada per metagenòmica, extraient el DNA genòmic, amplificant la regió V2-V3 del gen per al 16S rRNA, seqüenciant-la per 454 piroseqüenciació i analitzant-ho amb el programa MacQIIME per obtenir-ne la identificació. Els resultats observats van ser una clara diferència entre hivern i estiu, demostrable amb una anàlisi PCA (Figura 3, esquerra). També veieren una major diversitat de microbiota a l’estiu, 4 cops respecte la d’hivern, la qual era més homogènia que la d’estiu (resultats no mostrats). La heterogeneïtat de l’estiu pot estar relacionada amb una dieta més variada. La menor diversitat hivernal va lligada a una reducció sobretot de Firmicutes i d’Actinobacteria, i en canvi hi ha un augment de Bacteroidetes (Figura 3, dreta).

Figura 3. Microbiota fecal de l’ós bru comparada a l’hivern (blau) i l’estiu (vermell). Esquerra: PCA (anàlisi de components principals); dreta: abundància relativa dels fílums més abundats (Sommer et al. 2016).

L’augment de Bacteroidetes —sobretot Bacteroides fragilis— durant la hibernació pot explicar-se per llur capacitat de degradar glicans de l’hoste en absència de polisacàrids de la dieta i també perquè els Bacteroidetes poden metabolitzar proteïnes i greixos de l’epiteli intestinal. Els Firmicutes com Streptococcus probablement disminueixen perquè requereixen més fibra, la de la dieta (Sommer et al. 2016). 

S’ha vist que la hibernació dels óssos bruns també afecta al metabolisme, sobretot lipídic. I a més, en fer transplantaments de la microbiota dels óssos hivernants o dels actius al juny a ratolins sense microbiota comporta que els ratolins adquireixen els trets metabòlics estacionals corresponents respectivament d’hivern o estiu (Sommer et al. 2016).

Cal senyalar que les temperatures corporals més baixes durant la hibernació són molt per sota les temperatures òptimes de la majoria de microbis intestinals, però com he comentat abans, el torpor és interromput periòdicament per unes curtes fases de pujada tèrmica que permeten —a banda d’activar el metabolisme de l’animal— incrementar el metabolisme bacterià, amb la conseqüent degradació dels substrats presents al lumen intestinal (Carey et al. 2013).

Uns dels animals més estudiats en relació a la hibernació i llur microbiota són els esquirols de terra, i en concret l’anomenat suslic (de l’original suslik en rus) o esquirol de terra de 13 bandes, Ictidomys tridecemlineatus (abans Spermophilus tridecemlineatus) (Figura 4). Tenen una coloració llampant, amb ratlles i taques al pelatge dorsal que fan que sigui molt fàcil distingir-los d’altres espècies. Aquests esquirols de terra, junt amb els més coneguts arborícoles, les marmotes, els esquirols voladors i els gossets de les praderies, constitueixen la família d’esciúrids, dins l’ordre Rodentia, els rosegadors.

Figura 4. EL suslic o esquirol de terra de 13 bandes (Ictidomys tridecemlineatus). Imatge de Cheryl Gorske, treta de Pinterest.

L’efecte del cicle anual d’hibernació en la microbiota intestinal del suslic ha estat estudiat (Carey et al. 2013) per metagenòmica de forma semblant a la comentada per als óssos bruns, seqüenciant els gens del 16 S rRNA a partir de mostres del cec de I. tridecemlineatus. 

En aquest estudi els grups bacterians més abundants trobats, i que tenien més variació en l’estat d’hibernació respecte quan els animals eren actius foren Firmicutes, Bacteroidetes i Verrucomicrobia (com Akkermansia muciniphila, coneguda com a beneficiosa a la microbiota humana). Com veiem (Figura 5), en l’estació activa hi ha més Firmicutes mentre que amb la hibernació augmenten els altres dos grups. Com he comentat per als óssos, els Firmicutes prefereixen una dieta rica en polisacàrids mentre que els Bacteroidetes —i els Verrucomicrobia en aquest cas— consumeixen mucines produïdes per l’intestí. També hi ha menor diversitat de bacteris en hivernant. Les diferències de microbiota entre estació activa i hibernació són estadísticament significatives, molt més que les observades per l’edat, la dieta anterior a l’hibernació, i altres condicions. Tot plegat, la microbiota d’aquests suslics es reestructura cada any reflectint les diferències en les preferències dels microbis en quant als substrats de la dieta o de l’hoste i de les capacitats de supervivència dels diferents tàxons en l’ambient alterat de l’intestí en hibernació (Carey et al. 2013).

Figura 5. Esquema il·lustratiu dels principals canvis a la microbiota de l’esquirol de terra al llarg del cicle anual d’hibernació (Treta de Carey et al. 2013)

———————

LA MICROBIOTA DE LA HIBERNACIÓ PERMET LA RECUPERACIÓ DEL NITROGEN 

Com hem vist abans, amb la hibernació manca el nitrogen de la dieta, i el mínim metabolisme de manteniment comporta un consum de les reserves de proteïnes —que pot portar a l’atròfia muscular—, i amb aquest consum s’alliberen compostos de nitrogen com l’amoni que és tòxic i el cos l’elimina en forma de urea per l’orina. 

Però aquests animals no perden massa muscular durant l’hivern, i no excreten urea, ja que no orinen quan hibernen. Cóm s’explica ? Doncs la microbiota és la que permet la supervivència de l’animal durant la hibernació. Efectivament, s’ha vist que la microbiota dels comentats esquirols de terra de 13 bandes —Ictidomys tridecemlineatus— reciclen la urea produïda pel catabolisme de proteïnes, en aquest procés anomenat recuperació del nitrogen ureic (urea nitrogen salvage), on la ureasa microbiana té un paper clau. 

De fet, aquest mecanisme ja era conegut als remugants, ja que la molt complexa microbiota del rumen inclou el reciclatge del nitrogen proteic dels mateixos microorganismes a través de la urea, i fins i tot aquest compost s’utilitza com a alternativa nitrogenada a la dieta dels remugants estabulats, donada la gran capacitat ureàsica de la rica i diversa microbiota remugant (Patra et al. 2018).

Però als animals monogàstrics com aquests esquirols no es coneixia aquesta capacitat de recuperació del N ureic, demostrada recentment per Regan et al. (2022). La urea resultant del catabolisme de les proteïnes de l’animal (Figura 6) és transformada per la ureasa dels microbis del cec intestinal en CO₂ i amoni, i aquest és aprofitat per altres microbis per generar aminoàcids que són finalment transportats al fetge per sintetitzar proteïnes per als diferents òrgans.

Figura 6. Mecanisme proposat de recuperació de N de la urea per la microbiota del cec del budell gruixut durant la hibernació del suslic Ictidomys tridecemlineatus (Figura treta de Regan et al. 2022).

Regan et al. (2022) també han vist que la recuperació del N ureic és més gran al final de la hibernació, just abans que l’esquirol es desperti i entri a l’estació activa, on li caldrà que els músculs s’hagin ben recuperat del torpor. Aquest augment de recirculació de N es reflecteix en la major abundància de transportadors d’urea i dels gens de la ureasa en aquest període (Figura 7). Els gens de la ureasa són 7: 1 transportador, 2 estructurals i 4 accessoris.

Figura 7. Proporció dels gens d’ureasa al metagenoma bacterià del budell de Ictidomys tridecemlineatus, a l’estiu, inici d’hivern i hivern tardà (Regan et al. 2022)

En analitzar la metagenòmica dels gens de la ureasa també s’ha vist que els tàxons bacterians més abundants són diferents en funció de quin d’aquests 3 períodes (Figura 8). Com veiem, el gènere Alistipes (un Bacteroidetes) és el que té més proporció de gens de la ureasa durant la hibernació, on també és el gènere més abundant, amb poblacions a l’hivern tardà sis cop superiors a les de l’estiu (Regan et al. 2022).

Figura 8. Els 10 tàxons bacterians més abundants en quant als gens d’ureasa a les seqüències del metagenoma bacterià del budell de Ictidomys tridecemlineatus, a l’estiu, inici d’hivern i hivern tardà (Regan et al. 2022)

A més a més, la recuperació del nitrogen de la urea pot facilitar l’estalvi d’aigua als esquirols hivernants desviant urea dels ronyons, amb la qual cosa cal menys aigua per a la producció d’orina, com també passa als camells quan els falta aigua (Mousa et al. 1983).

———————

I MÉS ENLLÀ DE LA HIBERNACIÓ

Aquest mecanisme de recuperació del nitrogen per la microbiota té implicacions que van més enllà de la hibernació. Per exemple, l’atròfia muscular afecta milions d’humans per causa de dietes limitades en nitrogen o també de sarcopènia a les persones d’edat avançada. Una millor comprensió dels mecanismes de com la microbiota de la hibernació mitiga els efectes de la limitació de nitrogen podria proporcionar estratègies per a la preservació dels músculs als humans (Regan et al. 2022). 

D’altra banda, com hem vist, els óssos bruns —i altres animals— acumulen molt de greix abans d’hibernar i en canvi es mantenen metabòlicament sans. Entendre els mecanismes fisiològics subjacents i la possible relació amb la microbiota podria donar pistes per a noves teràpies de l’obesitat als humans (Sommer 2016).

I des d’un punt de vista més general, està clar que la coevolució dels mamífers —i altres animals— amb els microbis intestinals ha produït unes relacions ben complexes que donen beneficis a les dues parts simbionts. Els microbis modelen la biologia de llurs hostes de múltiples maneres, augmenten la resistència a la colonització per patògens, influeixen en la funció i estructura gastrointestinal, dirigeixen el desenvolupament del sistema immunitari, i augmenten la captació d’energia de la dieta. Al seu torn, els hostes animals proporcionen un ambient ric en nutrients que permet el desenvolupament de comunitats microbianes ben variades (Carey et al. 2013).

———————

BIBLIOGRAFIA

Carey HV, Andrews MT, Martin SL (2003) Mammalian Hibernation: Cellular and Molecular Responses to Depressed Metabolism and Low Temperature. Physiol Rev 83: 1153-1181.

Carey HV, Walters WA, Rob Knight R (2013) Seasonal restructuring of the ground squirrel gut microbiota over the annual hibernation cycle. Amer J Physiol-Reg It Comp Physiol 304, R33-R42 

Garcia de Jesús E (2022) Gut microbes help some squirrels stay strong during hibernation. ScienceNews 27 Jan 2022. 

Hibernation (2023, April 4). Wikipedia

Mousa HM, Ali KE, Hume ID (1983) Effects of water deprivation on urea metabolism in camels, desert sheep and desert goats fed dry desert grass. Comp Biochem Physiol A Comp Physiol 74:715-20

Patra AK, Aschenbach JR (2018) Ureases in the gastrointestinal tracts of ruminant and monogastric animals and their implication in urea-N/ammonia metabolism: A review. J Adv Res 13, 39-50. 

Regan MD et al (2022) Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season. Science 375, 6579, 460-463

Sommer F et al. (2016) The Gut Microbiota Modulates Energy Metabolism in the Hibernating Brown Bear Ursus arctos. Cell Reports 14, 1655-1661. 

Thirteen-lined_ground_squirrel (2023, April 4) Wikipedia

Wilke C (2020) These Arctic squirrels recycle bits of their own bodies to survive winter. ScienceNews 16 Dec 2020.