水熊蟲特殊蛋白或幫助人類DNA抵御輻射損傷

水熊蟲特殊蛋白或幫助人類DNA抵御輻射損傷

2016年09月21日訊 緩步動物（Tardigrades），或者水熊蟲是一種矮胖型的緩步動物門動物，在顯微鏡下其看起來介于蝴蝶幼蟲和裸鼢鼠之間，這些水棲類無脊椎動物是一種完美的幸存者，其能夠抵御一系列極端環(huán)境，包括近乎完全的脫水作用和損傷等。

日前，一項刊登于國際雜志Nature Communications上的研究報告中，來自東京大學的研究人員通過研究發(fā)現了緩步動物的另外一種超強的能力，即一種保護性的蛋白質能夠幫其抵御損傷的X射線，而且這或許還能夠轉移到對人類細胞的研究。研究者Takekazu Kunieda說道，對X射線的耐受性被認為是動物適應嚴重脫水作用的副產品，嚴重的脫水作用能夠對生物分子造成嚴重的破壞，甚至會破壞DNA分子，這就好像X射線破壞DNA分子一樣。

于是研究者想知道這種緩步動物如何保護自己抵御如此惡劣的條件，隨后研究人員對緩步動物Ramazzottius varieornatus進行了全基因組測序研究，這是一種對壓力具有特殊耐受性的動物，研究者表示，當動物的基因組插入到哺乳動物細胞后就能夠很容易地被研究，因此科學家們對培養(yǎng)的人類細胞進行操作來產生緩步動物內部細胞結構的多個組分，從而就能夠幫助確定到底是哪一部分能夠給予緩步動物提供保護作用。

最終，研究者及其同事發(fā)現，名為Dsup的特殊蛋白能夠保護動物機體的DNA免于在輻射和脫水狀況下破裂，而且植入緩步動物的人類細胞液能夠抑制X射線輻射引發(fā)的40%的細胞損傷。

基因組寶藏

來自瑞典克里斯蒂安斯塔德大學的進化生態(tài)學家Ingemar Jonsson對緩步動物進行了多年研究，他表示，DNA的保護和修復是許多人類疾病中所有細胞的基礎過程，包括癌癥和機體老化等疾病；這項研究發(fā)現對于臨床醫(yī)學研究具有很大的意義，其或將幫助我們改善人類細胞的壓力耐受性，而這終將有一天會使得經受放射療法的患者獲益。

研究者Kunieda補充道，這項研究未來或許還能夠幫助保護核設施附近工作的工人免于放射，同時還能夠幫助研究者們在極端環(huán)境下種植莊稼，比如在火星上種糧食等；來自北卡羅來納州立大學的生物學家Bob Goldstein對另外一種緩步動物進行了測序研究，他認為這項研究非常有意思而且激動人心，同時后期還需要進行更為深入的研究來進一步探明其中所涉及的機制。

最后，Goldstein說道，緩步動物對很多種類型的極端環(huán)境都具有一定的耐受性，這就意味著，緩步動物機體中或許存在著多種不同的機體防御保護機制；當然對緩步動物基因組的研究也只是冰山一角，未來研究者將會繼續(xù)深入剖析這筆遺傳財富。

都說核輻射很可怕，世界有哪些動物不怕核輻射呢？

據一些科學家說，如果第三次世界大戰(zhàn)來臨，即使我們人類能夠享受避免核武器爆炸傷害的特權，那也一定是一場毀滅天地的熱核戰(zhàn)爭。但是很難避免放射性威脅。到時候，人類文明很有可能不僅是人類，整個地球的生物都因為放射性而滅絕。但是，核輻射的威脅比核武器爆炸對生命更大，科學家們在地球上發(fā)現了這三種生物，它們的生命結構非常簡單，但核武器卻絲毫不害怕。其中一種生物甚至被帶到太空，成功地停留在月球上。這是怎么回事？

首先是水熊蟲，水熊蟲被認為是生命力最強的生物之一。即使在幾百攝氏度的高溫和零下幾十攝氏度的低溫下，水熊蟲子也能頑強地生存。不僅如此，在沒有氧氣的真空環(huán)境下，水熊蟲子的生命活動也不受影響。一只醫(yī)學上死亡的水熊蟲在死亡10年后又復活了。因此，科學家決定將水熊蟲送入太空，讓它們成功地留在月球上。而且是變形蟲。這種單細胞生物看起來結構簡單，但生命力比我們想象的要強好幾倍。一些科學家的研究表明，面對核爆炸的威脅，阿米巴不會死亡，只會讓自己進入假死狀態(tài)，如果受到核爆炸的威脅，還可以加速繁殖。不得不說，作為單細胞生物，阿米巴的生命力實在是太強了。

在脫水或極端溫度等環(huán)境壓力下，緩慢的動物進入“銀生狀態(tài)”，為了縮小表面積而退縮，形成所謂的“tun”狀態(tài)，新陳代謝幾乎停止。在這種狀態(tài)下，它們可以在沒有水的情況下生存數十年，經受住高劑量的伽馬射線和x射線輻射，在-272到150的溫度下生存。此外，他們在宇宙的真空中輕松地度過了10天。在其他大部分生物中，這種環(huán)境壓力會損害細胞的DNA，但較慢的動物有損傷抑制蛋白(Dsup)，可以用某種方式保護DNA。西班牙馬德里植物生物技術和基因組學中心marinamingiz-Toral團隊模擬并說明了Dsup和DNA之間的相互作用。

該小組模擬了一個由兩個Dsup分子和DNA組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由超過75萬個原子組成，需要在超級計算機上“每天”運行?！懊總€原子的運動方程需要求解5000萬次，才能得到持續(xù)100納秒的模擬?！盡inguez-Toral說。研究人員表示，根據模擬系統(tǒng)中所有蛋白質原子和靜電的相互作用，Dsup蛋白質本質上是無序的，柔韌性強，可以調整結構以適應DNA的形狀。

長成這熊樣卻擁有“不死之身”，水熊蟲的秘密被破解了

工作于美國大煙山國家公園的緩步動物研究者Diane Nelson用掃描顯微鏡拍攝了這張緩步動物的3D圖像。圖片來源：NPS/Diane Nelson

緩步動物（也稱作水熊蟲）是體長不足零點幾英寸的動物，但它們卻是地球上最長壽、最堅挺的動物。它們幾乎是不可毀滅的。它們具備對抗缺水的能力。就算它們進入干枯狀態(tài)，被冰封于冰塊中、暴露于輻射下，并被送至真空環(huán)境中，只要有水，它們仍能夠重生。

期刊PLOS Biology中發(fā)布的新基因研究揭示了水熊蟲是如何在變干變脆后重獲新生的。相關作者現在甚至認為外星生命可能也具備這種卓越的能力。

來自愛丁堡大學進化生物學的合作作者Mark Blaxter說：“如果存活于其他星球的生命也是以水為基礎的，那么缺水的生物體就會進化，以對抗類似缺水等的極端事件?！?/p>

他補充說明了水熊蟲經歷低濕休眠的能力（一種干燥、休眠的狀態(tài)），“地球上的低濕休眠能力已經實現了多次進化，所以我確定它在其他星球上也有進化。”

Blaxter和他的同事采用了一個機智的方法去解開水熊蟲低濕休眠背后的科學秘密。

只有極度地預先暴露于干燥環(huán)境下，水熊蟲才會進入干燥狀態(tài)。科學家們重新排列并重組了水熊蟲的基因組。然后他們把水熊蟲（Hypsibius dujardini）的DNA和另一種緩步動物的DNA進行比較。

接著，研究人員觀察了一組特殊的同源基因（HOX genes），這組基因形成胚胎首尾相接的模式。動物通常都有十組不同的同源基因，但緩步動物只有五組。線蟲（蛔蟲）缺了五組相同的同源基因。

Blaxter說：“大概是因為線蟲和緩步動物有著同一個祖先吧，這個祖先也缺失了同源基因。或者說，基因缺失和兩種生物的變小有關，那么這些‘中型’的同源基因就是最容易缺失的?！?/p>

他補充道：它們的基因缺失可能單單是各自的進化引起的。為了解決剩下的問題，科學家們繼續(xù)討論緩步動物和線蟲類動物的關系是否更近，還是說它和昆蟲、蜘蛛、甲殼類等節(jié)肢動物的關系更近。

通過質疑緩步動物在低濕休眠時實現了哪些基因轉變，科學家們可以識別出多種蛋白質，這些蛋白質是為了替代緩步動物細胞中的水分流失而出現的。因此，這些蛋白質能幫助保存其微型結構，直到它們重獲水源。

Arakawa解釋說，處于活躍狀態(tài)的細胞內含約60%-80%的水分，人體細胞亦是如此。

科學家所識別出的核心蛋白質有著高度可溶性。由于表面的張力，它們溶解于緩步動物體內、依附并包圍細胞分子的水分中。它們就像是微型的保護層，防止細胞在缺水時變性。

Arakawa還提到了緩步動物還有著保護其DNA免受損害的額外基因。由于這些小型動物缺乏壓感路徑，它們的細胞在受損后通常不會死去。相反的是，科學家所識別的蛋白質會設法修復損傷，而且這些修復通常都是成功的。

有著這些能力，緩步動物就足以成為地球上最長壽的動物。誰也沒料到這些慢吞吞的小動物會有著如此強的恢復力。

Arakawa解釋說：“緩步動物是慢活族，它們算不上是侵略性強的動物。因此，它們在食物競爭中常常失敗，它們會成為多樣化生態(tài)系統(tǒng)中的獵物。然而，緩步動物逃到了它們的小世界——一個只有緩步動物才能存活的小世界。所以緩步動物算是因其生態(tài)競爭性的缺乏而獲得了最強的存活能力?！?/p>

Arakawa及其同事預想會有這么的一天：酶、疫苗、人體器官、組織和細胞能在低濕休眠狀態(tài)中得以保存，而非通過液氮制冷進行保存。

Baxter說：“某些人認為緩步動物會穿越太空并把地球衍生的生命播種在其它星球上。很明顯，這樣的事情是不會發(fā)生的。因為只有個別緩步動物具備低濕休眠的能力，而緩步動物是其他更古老的動物形式衍生而來的?！?/p>

雖然緩步動物是否正在太空中飛奔值得質疑，研究人員對這驚人的動物非常著迷，他們會帶著敬畏和欽佩之情持續(xù)研究它們。

Baxter說：“我們從不畏縮不前?！?/p>

?蝌蚪五線譜編譯自livescience，譯者 李二寶，轉載須授權

為什么水熊蟲是世界上最強大的生物

水熊蟲被認為是地球上最強悍的生物，它們可以忍受高溫、極寒、高壓、輻射甚至是宇宙真空。最近科學家們對其進行了基因測序，從中可以找到它們堅不可摧的秘密。
水熊蟲有著特別的續(xù)命技巧。當面臨死亡時，無論是缺少食物還是暴露在絕對零度之下，水熊蟲會把自己排干，把頭和8條腿全部縮進去。接著它就進入了深度假死狀態(tài)，代謝速度變?yōu)檎５?.01%，體內幾乎沒有任何水分。
這種假死狀態(tài)可以維持幾十年之久，一旦它們接觸到水，又可以重新被喚醒。(相關蛋文：水熊蟲無敵：冰凍三十年還能復生 [慎])
關鍵在于，這一過程雖然會損傷DNA，但是水熊蟲根本不在乎。實際上，它們還能生生不息。
之前，南卡來羅納大學的研究者們測序了水熊蟲的基因組，發(fā)現其17.5%都是外來DNA。這意味著它的一部分基因完全來自于其他物種。大部分物種，包括人類，基因組中所含的外來DNA不會超過1%，所以水熊蟲其他任何物種都擁有更多的外來DNA。此前的記錄保持者是一種叫做輪蟲的微生物。(相關蛋文：水熊蟲：擁有最多外來基因的生物[慎])

演技們發(fā)現水熊蟲擁有6000個外來基因，主要是來自細菌。有很多細菌都可能忍耐極端高壓和溫度，這也許解釋了水熊蟲的超強適應力。但是該研究并沒有回答為什么水熊蟲在DNA被摧毀殆盡之際仍然可以存活。
最新發(fā)表在《自然?通訊》上研究有望解釋這一難題。東京大學的研究者們測序了一只水熊蟲的基因組，發(fā)現它擁有一個特殊的基因，它能編碼一種使人工培養(yǎng)的細胞能夠抵御DNA損傷的蛋白質。根據《自然》雜志的報道，這種「水熊之力」可以被轉接到人類細胞上。
這種蛋白質是水熊蟲的獨門武器，可以幫助細胞耐受DNA損傷。除了這種神秘蛋白質，Takekazu Kuieda帶領的團隊還發(fā)現了其他可以幫助抵御極端環(huán)境的基因。
但人們依舊不清楚水熊蟲在分子級別是如何自我調節(jié)的，但是越來越多的證據證明這些小爬蟲已經進化出一套獨特的應激策略。
文：許叔/煎蛋網
摘自知道日報

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