“防辐射”蛋白:水熊虫的生存利器

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是谁在零下二十度沉睡三十年后成功苏醒?是谁能在150℃高温下谈笑风生?耐得了真空,扛得住射线,在六倍于深海压力的环境也能存活下来,水熊虫的故事,大家可能已经不陌生了。

电镜下的一只水熊虫。

水熊虫(water bears)并不是一个物种,而是由1000多个物种组成的缓步动物门(Tardigrades)的统称。这些8只爪、长得有点像米其林的家伙看似简单,耐受极端环境的能力却令人惊叹。水熊虫们的栖息地相当广泛,海洋、淡水甚至沼泽中都有它们的身影。水熊虫必须要在水环境中才能生长和繁殖,而遇到泥沼干涸时,它们也自有办法:让自己脱水收缩,进入一种可逆的“隐生”状态(Anhydrobiosis)。在“隐生”状态下,水熊虫可以耐受各种极端的物理环境,科学家们也一直对这背后的原理十分感兴趣。

通过基因组分析,来自日本的研究团队发现了水熊虫对抗极端环境的一件法宝——一种可以“防辐射”的蛋白质。有了它,可以显著减少DNA在遭受x射线照射时的损伤。相关论文于9月20日发表在《自然·通讯》期刊上。

从脱水状态逐渐恢复生机的水熊虫(Ramazzottius varieornatus)。视频录制者:Daiki D. Horikawa

基因组里的秘密

其实,这已经不是科学家第一次尝试寻找水熊虫耐受能力的机制了。去年,曾有遗传学家对一种淡水水熊虫(Hypsibius dujardini)进行了测序,他们声称在水熊虫基因组中发现了大量来自其他生物的外源基因,并由此提出了水熊虫通过“水平基因转移”从其他生物那里获得环境耐受基因的假说。但是,很快又有科学家提出质疑,认为这个基因组数据被微生物污染了,结果并不可靠。(更多阅读:世界上最顽强动物的基因组,究竟长啥样?

这一次,日本研究者们选择了一个耐受力最强的水熊虫物种(Ramazzottius varieornatus),对它们进行了基因组测序,并研究了不同阶段的基因表达情况。为了避免测序时的微生物污染,他们用次氯酸盐和抗生素给水熊虫样品做了个彻底灭菌。

测序结果发现,这种水熊虫来自外源生物的基因很少(只有1.2%),远低于此前报告的结果。该结果证实,水熊虫抵抗极端环境的关键基因来自自身演化,而非其他外源生物。

这水熊虫的基因有什么特别?相比其他动物,它具有更多超氧化物歧化酶基因,以及更多拷贝的MRE11基因(用于修复DNA双链断裂)。这些基因可以帮助减轻氧化损伤、修复DNA,从而起到保护作用。此外,水熊虫体内还缺少了一些与环境应激有关的基因,这可能也有助于它们渡过难关。

防辐射“护盾”

通过基因组和基因表达的研究,科学家们还找到了水熊虫抵抗辐射损伤的一个独门武器——损伤抑制蛋白(Damage suppressor, Dsup)。这种蛋白质从水熊虫的胚胎时期就开始大量表达,它可以结合在DNA上,并作为“护盾”抵抗辐射损伤。

在水熊虫体内,Dsup蛋白充当了为DNA抵挡射线的“护盾”。

这种蛋白“护盾”放到其他细胞里也同样能起到保护作用。研究人员让实验室里培养的人源细胞也表达了这种“护盾蛋白”,结果,与没有“护盾”的普通细胞相比,表达了Dsup蛋白的细胞在接受x射线辐射后,仍然保持了一定的细胞活性和增殖能力,其DNA损伤也比对照组减轻了40%。

了解了这种蛋白“护盾”,有朝一日人类或许也可以提高自身或是其他生物耐受x射线辐射的能力,或许还能变得更适应太空环境,不过这一点还不会很快实现。研究者也表示,Dsup蛋白并不是万能的,它虽然效果明显,但也只是减少了大约一半的DNA损伤。

要想完全了解水熊虫的基因组功能,还需要更多后续研究工作。跟着水熊虫这个“超级幸存者”,人类或许还能学到更多极端环境下的生存之道。(编辑:窗敲雨)

题图来自:craftycraziness.wordpress.com

参考资料:

  • http://www.nature.com/ncomms/2016/160920/ncomms12808/full/ncomms12808.html
  • http://gizmodo.com/genes-hold-the-key-to-the-water-bears-indestructibility-1786814698
  • 拓展阅读

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