腺苷酸诱导小鼠人工冬眠的分子机制

A hibernating animal enters a deep low body temperature through a complex body temperature regulation and maintains the function of the body. The development of the technique of artificial hibernation in mammals will have a profound impact on the development of basic medicine. Our previous work successfully replicated the low temperature model of artificial hibernation in mice dogs and primates using adenylate. The mechanism of adenylate-induced artificial hibernation in mammals is unclear. The project will use mice as a model, investigating artificial hibernation conditions by adenylate-induced low temperature, exploring the duration of mice in the low temperature state, and low temperature limit. Through the transcriptome and metabolome analysis, we will investigate the changes of the metabolism and metabolites in mice during low temperature state induced by adenylate; we also explore adenylate signaling transduction pathway in mice underlying artificial hibernation by genes knockout mice, and further optimize the induction technology of low temperature. The result of this study will promote the clinical application of adenylate-induced artificial hibernation.

冬眠动物通过复杂的体温调节进入深度低体温状态并同时保存机体机能。哺乳动物高效和安全的人工冬眠技术的发展，将对基础医学的发展产生深远的影响。我们的前期工作成功地利用腺苷酸安全复制了小鼠、实验狗和实验猴的人工冬眠的低体温模型，但是腺苷酸如何诱导这些哺乳动物进入人工冬眠并维持的分子机制不清楚。该项目将以小鼠为对象，研究腺苷酸诱导小鼠进入低体温的人工冬眠的条件；研究小鼠在低体温状态的持续时间和低温极限；通过转录组和代谢组分析，研究腺苷酸诱导低体温过程中的小鼠的代谢变化规律；利用腺苷酸信号通路上的基因敲除小鼠模型研究腺苷酸信号的传导和诱导形成人工冬眠的机制，进一步优化腺苷酸诱导低体温的技术和安全性；其研究结果将推动腺苷酸诱导的人工冬眠技术的临床应用。

体温调节受损和继发性的体温过低现象普遍存在于2型糖尿病病人和2型糖尿病动物模型中，且体温调节能力和糖尿病进展呈负相关。腺嘌呤核苷酸可能参与代谢及体温的调控，其调控机制及应用潜力还需要深入研究。腺嘌呤核苷酸处理正常小鼠模拟了2型糖尿病小鼠体内腺嘌呤核苷酸及其代谢产物升高的生理环境。在15℃的环境温度中，ATP处理的小鼠体温降低至16.27±0.18℃，心率降低至正常水平的15%，呼吸频率降低至正常水平的14%，耗氧量从3.72±0.73 L/(kg•h)降低至1.13±0.22 L/(kg•h)，活动量从30.75±1.77下降至0.67±0.50，小鼠失去翻正反射，进入类冬眠状态。小鼠类冬眠状态可以维持6~8 h，最终小鼠自发苏醒或被环境温度升高唤醒。在15℃的环境温度中，ATP、AMP和腺苷均可以诱导正常小鼠进入类冬眠状态，其中ATP诱导效率最高且小鼠降温速度最快。代谢组学数据表明，类冬眠状态下小鼠血浆、脑、肝脏和肾脏的代谢轮廓发生显著变化，在代谢和体温恢复后代谢轮廓也恢复正常。最后进一步发现，ATP可以诱导大鼠和比格犬进入和小鼠类似的类冬眠状态，而无法诱导猪进入类冬眠状态。实验证明尿酸积累是小鼠进入类冬眠状态的必要条件。类冬眠状态的腺嘌呤核苷酸诱导不依赖于嘌呤P2受体（P2XR、P2YR）和腺苷受体（A1R、A2aR、A2bR、A3R）。P2YR在类冬眠的诱导阶段起作用，抑制P2YR会减缓类冬眠诱导过程中体温降低的速度。ATP处理后，小鼠血浆中核苷酸代谢产物尿酸水平的升高和体温的降低是同步的。尿酸结合在Na+/H+交换子的Na+离子结合口袋，削弱了Na+/H+交换子泵出质子的能力，从而酸化细胞质。胞内pH的下降抑制了糖酵解关键限速酶葡萄糖激酶和磷酸果糖激酶的活性，引起葡萄糖利用降低，糖酵解速率减缓，最终导致机体代谢降低，进而引发体温下降。综上所述，腺嘌呤核苷酸可以作为调控分子，调节2型糖尿病小鼠和正常小鼠的代谢和体温。腺嘌呤核苷酸代谢产物尿酸过量累积会酸化胞质，降低代谢率，进而诱导小鼠进入类冬眠状态。