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Science:依靠砷生存的单胞体细菌―GFAJ-1

2010/12/07 来源:网络
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导读
来自NASA天体生物学研究所,亚利桑那州大学等处研究人员在加利福尼亚的一座盐湖中发现了一种依靠砷生存的单胞体细菌:GFAJ-1,这是首次发现构成生命的基本元素可以由其他元素取代。如果得到进一步确认,生物学界必须重新审视地球上的生命体系,教科书都将重新修改。

来自NASA天体生物学研究所,亚利桑那州大学等处研究人员在加利福尼亚的一座盐湖中发现了一种依靠砷生存的单胞体细菌:GFAJ-1,这是首次发现构成生命的基本元素可以由其他元素取代。如果得到进一步确认,生物学界必须重新审视地球上的生命体系,教科书都将重新修改。这一研究成果公布在Science杂志上。

砷对活体生物通常具有高度的毒性,因为它会破坏生物的代谢通路,但在化学上,其与磷酸盐类似。此前我们对组成生命物质的基本元素的认识都是碳C、氢H、氧O、氮N、硫S、磷P。磷元素在细胞中起着极为重要的作用,包括维持遗传物质DNA和RNA的骨架、参与形成细胞膜、以三磷酸腺苷(ATP)分子的形式输送能量等。而这一发现说明,磷可以被同族元素砷取代。

这种称为GFAJ-1的单胞体细菌能够利用对大多数生物有毒的砷,作为磷的替代物成为细胞的基本元素。遗传物质DNA中的磷元素被砷取代,这意味着它有了完全不一样的生命基础,从而与别的生命区别开来。

研究人员最开始是从富含砷的莫诺湖中采集淤泥,用高砷低磷的人工盐进行培养,然后进行一系列稀释过程,尽量去除溶液中剩下的磷,用砷取代。结果发现,有一种微生物的长势明显比其他细菌要好。分离培养证实,这种细菌在砷溶液里的生长速度,能够达到在磷溶液中生长速度的60%。如果环境中既没有磷也没有砷,它就完全无法生长。

不过科学家们对于这一研究发现持不同的态度,有人认为目前并没有足够的数据来支持这种论断,需要更进一步的研究支撑。

另外一项有关砷的新发现就是三氧化二砷在白血病治疗中的重要作用,白血病俗称血癌,是一种造血系统恶性肿瘤。慢性骨髓性白血病患者体内生成癌细胞的干细胞通常处于潜伏期,几乎不发生增殖,因此药物很难对其奏效。

研究人员发现三氧化二砷在慢性粒细胞白血病(CML)的治疗上,是直接作用于CBL基因。这就意味着,三氧化二砷同样也可以应用到与CBL相关的肠癌等多种肿瘤。

三氧化二砷是传统中药砒霜中的主要成分。上世纪70年代,哈医大一院中医科和血液科的医生创造性地将三氧化二砷应用于急性早幼粒细胞白血病(M3型)的患者,之后又拓展到经维甲酸治疗复发的M3型病例上,其完全缓解率突破90%以上。在此临床报告的基础上,上海陈竺、王振义等学者首次从分子生物学及基因水平揭示了三氧化二砷诱导早幼粒白血病细胞凋亡的机理。此后,全世界的学者开始将三氧化二砷引入肝癌、淋巴瘤等多种肿瘤的研究领域,取得了一项又一项科学成果。

近年来我国研究人员解析了三氧化二砷治疗急性早幼粒细胞性白血病(APL)分子机制,揭示了癌蛋白PML-RAR 是砷剂治疗APL的直接药物靶点。他们发现三氧化二砷直接与癌蛋白PML端的“锌指”结构中的半胱氨酸结合,诱导蛋白质发生构象变化和多聚化,继而发生SUMO化、泛素化修饰而被蛋白酶体降解。癌蛋白的降解最终导致白血病细胞走向分化和凋亡。使APL成为人类急性白血病分子靶向治疗取得临床治愈的成功范例。这一成果丰富了APL靶向治疗的理论,对于推动其它类型白血病和实体瘤的分子靶向治疗研究也具有十分重要的指导意义。

这些有趣的研究发现拓展了我们对于有毒物质的更深层次认识,也为探索更多的生命特征提供了新的思路。

 

A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus

Felisa Wolfe-Simon, Jodi Switzer Blum, Thomas R. Kulp, Gwyneth W. Gordon, Shelley E. Hoeft, Jennifer Pett-Ridge, John F. Stolz, Samuel M. Webb6, Peter K. Weber4, Paul C. W. Davies, Ariel D. Anbar and Ronald S. Oremland

Life is mostly composed of the elements carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur, and phosphorus. Although these six elements make up nucleic acids, proteins, and lipids and thus the bulk of living matter, it is theoretically possible that some other elements in the periodic table could serve the same functions. Here, we describe a bacterium, strain GFAJ-1 of the Halomonadaceae, isolated from Mono Lake, California, which substitutes arsenic for phosphorus to sustain its growth. Our data show evidence for arsenate in macromolecules that normally contain phosphate, most notably nucleic acids and proteins. Exchange of one of the major bioelements may have profound evolutionary and geochemical significance.

文献链接:http://www.sciencemag.org/content/early/2010/12/01/science.1197258

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