Nature子刊:科学家们在“金刚不坏”的水熊虫中又有新发现!
2016/09/22
水熊虫是一种可以在极端物理环境下生存的微小生物。近日,来自东京大学的研究小组在9月20日的Nature Communications杂志上揭示了水熊虫特有的一种蛋白:它可以保护DNA免受辐射损伤,这种蛋白在人类细胞系中同样能发挥作用。


试想一下,如果地球上爆发大规模核战争,那什么生物能够幸存下来呢?成群结队的小强可能会首先浮现在你脑海中。不过,还有一种又丑又萌的小家伙,它的生存范围从绝对零度到沸点,从深海到太空,它能承受极大的压力和辐射,在极端恶劣的条件下存活,没错,它就是水熊虫(Water Bear)。

水熊虫可不是生活在水里的熊,而是对缓步动物门生物的俗称。它是一种外形矮胖的微小生物,长度不足1毫米,外形看上去有点儿像毛虫和裸鼢鼠的杂交品种。水熊虫逆天的生存能力一直吸引着科学家们的目光。近日,来自东京大学的研究小组在9月20日的Nature Communications杂志上又揭示了水熊虫的一个逆天技能:它们可以产生抵御X射线伤害的保护性蛋白。更令人欣喜的是,科学家可以将这种“超能力”转移到人类细胞系中。

水熊虫为何如此坚不可摧?

在极端恶劣的条件下,水熊虫的身体可以进入一种名为“隐生”的状态,在这个状态下,他们的代谢水平变得非常低,只有起初的0.01%。同时,它们排出体内几乎所有水分,圆滚的身材变得干瘪。最后,它们的头和腿蜷缩起来,产生一种蜡状外分泌物保护身体。

科学家已经发现,一些损伤细胞的方式,如冷冻和辐射,都需要水在细胞内,才能产生其破坏性的影响。因而,水熊虫脱水有利于它们在这些恶劣的条件下生存。此外,脱水也可以防止沸点温度将细胞内的水变成蒸汽,从而损伤细胞。

研究人员说,水熊虫抵御X射线的优势可能是它适应严重脱水所产生的一个副产物。严重脱水摧残着生物体内的分子,它所产生的影响甚至可以像X射线一样,损伤DNA。


在极端环境下,水熊虫排出水分,身体变得干瘪皱缩

水熊虫中存在一种特殊蛋白抑制DNA损伤

研究人员想知道,水熊虫是如何在如此严酷的环境中保护自身的。研究人员选择了水熊虫中一个抗逆能力最强的种类——Ramazzottius varieornatus,对它的基因组进行序列分析。为了便于研究,科学家将水熊虫的基因组插入到哺乳动物细胞中,通过培养人类细胞来生产水熊虫细胞内的分子机器,从而确定哪些因素可以赐予它们如此强大的抗逆能力。

最终,研究人员发现,一种被称为Dsup(Damage suppressor)的蛋白质保护水熊虫的DNA免于在辐射和干燥等极端物理环境下发生断裂。并且他们还发现,在稳定表达Dsup的人类细胞系中, X射线诱导的DNA损伤降低了40%。

水熊虫基因组是一座巨大的宝库

DNA修复和保护是所有细胞的基本组成部分,并且与许多人类疾病密切相关,包括癌症和衰老。因而这项新研究成果可能会引起制药行业的极大的兴趣。这一发现使人类细胞提升抗逆能力成为可能,也许在未来的某一天,它可以保护接受放射治疗的患者以及核设施内的工作人员免受射线伤害。

一些科学家认为,这项研究成果十分令人兴奋。并且,由于水熊虫可以耐受多种类型的极端环境,这意味着它们可能具备许多不同的自身防护方式。

参考资料:

The adorable, yet nearly indestructible, water bear

Tardigrade protein helps human DNA withstand radiation

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  • Extremotolerant tardigrade genome and improved radiotolerance of human cultured cells by tardigrade-unique protein

    Tardigrades, also known as water bears, are small aquatic animals. Some tardigrade species tolerate almost complete dehydration and exhibit extraordinary tolerance to various physical extremes in the dehydrated state. Here we determine a high-quality genome sequence of Ramazzottius varieornatus, one of the most stress-tolerant tardigrade species. Precise gene repertoire analyses reveal the presence of a small proportion (1.2% or less) of putative foreign genes, loss of gene pathways that promote stress damage, expansion of gene families related to ameliorating damage, and evolution and high expression of novel tardigrade-unique proteins. Minor changes in the gene expression profiles during dehydration and rehydration suggest constitutive expression of tolerance-related genes. Using human cultured cells, we demonstrate that a tardigrade-unique DNA-associating protein suppresses X-ray-induced DNA damage by ∼40% and improves radiotolerance. These findings indicate the relevance of tardigrade-unique proteins to tolerability and tardigrades could be a bountiful source of new protection genes and mechanisms.

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