水熊虫特殊蛋白或帮助人类DNA抵御辐射损伤

水熊虫特殊蛋白或帮助人类DNA抵御辐射损伤

2016年09月21日讯 缓步动物（Tardigrades），或者水熊虫是一种矮胖型的缓步动物门动物，在显微镜下其看起来介于蝴蝶幼虫和裸鼢鼠之间，这些水栖类无脊椎动物是一种完美的幸存者，其能够抵御一系列极端环境，包括近乎完全的脱水作用和损伤等。

日前，一项刊登于国际杂志Nature Communications上的研究报告中，来自东京大学的研究人员通过研究发现了缓步动物的另外一种超强的能力，即一种保护性的蛋白质能够帮其抵御损伤的X射线，而且这或许还能够转移到对人类细胞的研究。研究者Takekazu Kunieda说道，对X射线的耐受性被认为是动物适应严重脱水作用的副产品，严重的脱水作用能够对生物分子造成严重的破坏，甚至会破坏DNA分子，这就好像X射线破坏DNA分子一样。

于是研究者想知道这种缓步动物如何保护自己抵御如此恶劣的条件，随后研究人员对缓步动物Ramazzottius varieornatus进行了全基因组测序研究，这是一种对压力具有特殊耐受性的动物，研究者表示，当动物的基因组插入到哺乳动物细胞后就能够很容易地被研究，因此科学家们对培养的人类细胞进行操作来产生缓步动物内部细胞结构的多个组分，从而就能够帮助确定到底是哪一部分能够给予缓步动物提供保护作用。

最终，研究者及其同事发现，名为Dsup的特殊蛋白能够保护动物机体的DNA免于在辐射和脱水状况下破裂，而且植入缓步动物的人类细胞液能够抑制X射线辐射引发的40%的细胞损伤。

基因组宝藏

来自瑞典克里斯蒂安斯塔德大学的进化生态学家Ingemar Jonsson对缓步动物进行了多年研究，他表示，DNA的保护和修复是许多人类疾病中所有细胞的基础过程，包括癌症和机体老化等疾病；这项研究发现对于临床医学研究具有很大的意义，其或将帮助我们改善人类细胞的压力耐受性，而这终将有一天会使得经受放射疗法的患者获益。

研究者Kunieda补充道，这项研究未来或许还能够帮助保护核设施附近工作的工人免于放射，同时还能够帮助研究者们在极端环境下种植庄稼，比如在火星上种粮食等；来自北卡罗来纳州立大学的生物学家Bob Goldstein对另外一种缓步动物进行了测序研究，他认为这项研究非常有意思而且激动人心，同时后期还需要进行更为深入的研究来进一步探明其中所涉及的机制。

最后，Goldstein说道，缓步动物对很多种类型的极端环境都具有一定的耐受性，这就意味着，缓步动物机体中或许存在着多种不同的机体防御保护机制；当然对缓步动物基因组的研究也只是冰山一角，未来研究者将会继续深入剖析这笔遗传财富。

都说核辐射很可怕，世界有哪些动物不怕核辐射呢？

据一些科学家说，如果第三次世界大战来临，即使我们人类能够享受避免核武器爆炸伤害的特权，那也一定是一场毁灭天地的热核战争。但是很难避免放射性威胁。到时候，人类文明很有可能不仅是人类，整个地球的生物都因为放射性而灭绝。但是，核辐射的威胁比核武器爆炸对生命更大，科学家们在地球上发现了这三种生物，它们的生命结构非常简单，但核武器却丝毫不害怕。其中一种生物甚至被带到太空，成功地停留在月球上。这是怎么回事？

首先是水熊虫，水熊虫被认为是生命力最强的生物之一。即使在几百摄氏度的高温和零下几十摄氏度的低温下，水熊虫子也能顽强地生存。不仅如此，在没有氧气的真空环境下，水熊虫子的生命活动也不受影响。一只医学上死亡的水熊虫在死亡10年后又复活了。因此，科学家决定将水熊虫送入太空，让它们成功地留在月球上。而且是变形虫。这种单细胞生物看起来结构简单，但生命力比我们想象的要强好几倍。一些科学家的研究表明，面对核爆炸的威胁，阿米巴不会死亡，只会让自己进入假死状态，如果受到核爆炸的威胁，还可以加速繁殖。不得不说，作为单细胞生物，阿米巴的生命力实在是太强了。

在脱水或极端温度等环境压力下，缓慢的动物进入“银生状态”，为了缩小表面积而退缩，形成所谓的“tun”状态，新陈代谢几乎停止。在这种状态下，它们可以在没有水的情况下生存数十年，经受住高剂量的伽马射线和x射线辐射，在-272到150的温度下生存。此外，他们在宇宙的真空中轻松地度过了10天。在其他大部分生物中，这种环境压力会损害细胞的DNA，但较慢的动物有损伤抑制蛋白(Dsup)，可以用某种方式保护DNA。西班牙马德里植物生物技术和基因组学中心marinamingiz-Toral团队模拟并说明了Dsup和DNA之间的相互作用。

该小组模拟了一个由两个Dsup分子和DNA组成的系统，该系统由超过75万个原子组成，需要在超级计算机上“每天”运行。“每个原子的运动方程需要求解5000万次，才能得到持续100纳秒的模拟。”Minguez-Toral说。研究人员表示，根据模拟系统中所有蛋白质原子和静电的相互作用，Dsup蛋白质本质上是无序的，柔韧性强，可以调整结构以适应DNA的形状。

长成这熊样却拥有“不死之身”，水熊虫的秘密被破解了

工作于美国大烟山国家公园的缓步动物研究者Diane Nelson用扫描显微镜拍摄了这张缓步动物的3D图像。图片来源：NPS/Diane Nelson

缓步动物（也称作水熊虫）是体长不足零点几英寸的动物，但它们却是地球上最长寿、最坚挺的动物。它们几乎是不可毁灭的。它们具备对抗缺水的能力。就算它们进入干枯状态，被冰封于冰块中、暴露于辐射下，并被送至真空环境中，只要有水，它们仍能够重生。

期刊PLOS Biology中发布的新基因研究揭示了水熊虫是如何在变干变脆后重获新生的。相关作者现在甚至认为外星生命可能也具备这种卓越的能力。

来自爱丁堡大学进化生物学的合作作者Mark Blaxter说：“如果存活于其他星球的生命也是以水为基础的，那么缺水的生物体就会进化，以对抗类似缺水等的极端事件。”

他补充说明了水熊虫经历低湿休眠的能力（一种干燥、休眠的状态），“地球上的低湿休眠能力已经实现了多次进化，所以我确定它在其他星球上也有进化。”

Blaxter和他的同事采用了一个机智的方法去解开水熊虫低湿休眠背后的科学秘密。

只有极度地预先暴露于干燥环境下，水熊虫才会进入干燥状态。科学家们重新排列并重组了水熊虫的基因组。然后他们把水熊虫（Hypsibius dujardini）的DNA和另一种缓步动物的DNA进行比较。

接着，研究人员观察了一组特殊的同源基因（HOX genes），这组基因形成胚胎首尾相接的模式。动物通常都有十组不同的同源基因，但缓步动物只有五组。线虫（蛔虫）缺了五组相同的同源基因。

Blaxter说：“大概是因为线虫和缓步动物有着同一个祖先吧，这个祖先也缺失了同源基因。或者说，基因缺失和两种生物的变小有关，那么这些‘中型’的同源基因就是最容易缺失的。”

他补充道：它们的基因缺失可能单单是各自的进化引起的。为了解决剩下的问题，科学家们继续讨论缓步动物和线虫类动物的关系是否更近，还是说它和昆虫、蜘蛛、甲壳类等节肢动物的关系更近。

通过质疑缓步动物在低湿休眠时实现了哪些基因转变，科学家们可以识别出多种蛋白质，这些蛋白质是为了替代缓步动物细胞中的水分流失而出现的。因此，这些蛋白质能帮助保存其微型结构，直到它们重获水源。

Arakawa解释说，处于活跃状态的细胞内含约60%-80%的水分，人体细胞亦是如此。

科学家所识别出的核心蛋白质有着高度可溶性。由于表面的张力，它们溶解于缓步动物体内、依附并包围细胞分子的水分中。它们就像是微型的保护层，防止细胞在缺水时变性。

Arakawa还提到了缓步动物还有着保护其DNA免受损害的额外基因。由于这些小型动物缺乏压感路径，它们的细胞在受损后通常不会死去。相反的是，科学家所识别的蛋白质会设法修复损伤，而且这些修复通常都是成功的。

有着这些能力，缓步动物就足以成为地球上最长寿的动物。谁也没料到这些慢吞吞的小动物会有着如此强的恢复力。

Arakawa解释说：“缓步动物是慢活族，它们算不上是侵略性强的动物。因此，它们在食物竞争中常常失败，它们会成为多样化生态系统中的猎物。然而，缓步动物逃到了它们的小世界——一个只有缓步动物才能存活的小世界。所以缓步动物算是因其生态竞争性的缺乏而获得了最强的存活能力。”

Arakawa及其同事预想会有这么的一天：酶、疫苗、人体器官、组织和细胞能在低湿休眠状态中得以保存，而非通过液氮制冷进行保存。

Baxter说：“某些人认为缓步动物会穿越太空并把地球衍生的生命播种在其它星球上。很明显，这样的事情是不会发生的。因为只有个别缓步动物具备低湿休眠的能力，而缓步动物是其他更古老的动物形式衍生而来的。”

虽然缓步动物是否正在太空中飞奔值得质疑，研究人员对这惊人的动物非常着迷，他们会带着敬畏和钦佩之情持续研究它们。

Baxter说：“我们从不畏缩不前。”

?蝌蚪五线谱编译自livescience，译者 李二宝，转载须授权

为什么水熊虫是世界上最强大的生物

水熊虫被认为是地球上最强悍的生物，它们可以忍受高温、极寒、高压、辐射甚至是宇宙真空。最近科学家们对其进行了基因测序，从中可以找到它们坚不可摧的秘密。
水熊虫有着特别的续命技巧。当面临死亡时，无论是缺少食物还是暴露在绝对零度之下，水熊虫会把自己排干，把头和8条腿全部缩进去。接着它就进入了深度假死状态，代谢速度变为正常的0.01%，体内几乎没有任何水分。
这种假死状态可以维持几十年之久，一旦它们接触到水，又可以重新被唤醒。(相关蛋文：水熊虫无敌：冰冻三十年还能复生 [慎])
关键在于，这一过程虽然会损伤DNA，但是水熊虫根本不在乎。实际上，它们还能生生不息。
之前，南卡来罗纳大学的研究者们测序了水熊虫的基因组，发现其17.5%都是外来DNA。这意味着它的一部分基因完全来自于其他物种。大部分物种，包括人类，基因组中所含的外来DNA不会超过1%，所以水熊虫其他任何物种都拥有更多的外来DNA。此前的记录保持者是一种叫做轮虫的微生物。(相关蛋文：水熊虫：拥有最多外来基因的生物[慎])

演技们发现水熊虫拥有6000个外来基因，主要是来自细菌。有很多细菌都可能忍耐极端高压和温度，这也许解释了水熊虫的超强适应力。但是该研究并没有回答为什么水熊虫在DNA被摧毁殆尽之际仍然可以存活。
最新发表在《自然?通讯》上研究有望解释这一难题。东京大学的研究者们测序了一只水熊虫的基因组，发现它拥有一个特殊的基因，它能编码一种使人工培养的细胞能够抵御DNA损伤的蛋白质。根据《自然》杂志的报道，这种「水熊之力」可以被转接到人类细胞上。
这种蛋白质是水熊虫的独门武器，可以帮助细胞耐受DNA损伤。除了这种神秘蛋白质，Takekazu Kuieda带领的团队还发现了其他可以帮助抵御极端环境的基因。
但人们依旧不清楚水熊虫在分子级别是如何自我调节的，但是越来越多的证据证明这些小爬虫已经进化出一套独特的应激策略。
文：许叔/煎蛋网
摘自知道日报

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