Science:无氧也能存活18分钟!裸鼹鼠是如何做到的?
2017/04/24
日前,发表在Science杂志上的一项研究中,科学家们发现了几乎从来没有患过癌症的裸鼹鼠的又一“超能力”:它们能够在没有氧气的条件下,存活超过18分钟。那么,它们究竟是如何做到的呢?


裸鼹鼠是实验室动物中的“超级英雄”。它们几乎没有衰老迹象,能够抵抗某些类型的疼痛,几乎从来没有患过癌症。现在,科学家们又发现了裸鼹鼠的另一个“超能力”:它们能够在没有氧气的条件下,存活超过18分钟。它们实现这种“超能力”是通过从本质上改变机体所使用的燃料。

裸鼹鼠这种小鼠大小的无毛哺乳动物能够生活在氧气稀缺的地下洞穴中。它们对含高水平二氧化碳或很少氧气的空气具有异乎寻常的抵抗力。

为了弄清楚裸鼹鼠存活最少需要多少氧气,美国伊利诺伊大学的神经学家Thomas Park和德国Max Delbrück Center for Molecular Medicine的生理学家Gary Lewin带领的研究小组将裸鼹鼠和老鼠放置在了没有氧气的房间内。

结果发现,不到一分钟,小鼠就死亡了。而裸鼹鼠的情况并非如此。它们的心跳不断放缓,从每分钟200下降低到每分钟50下(from 200 to 50 beats per minute)。同时,它们很快失去了知觉。但是,甚至在无氧房间里待了18分钟后,当接触到正常空气,裸鼹鼠也能够完全恢复。

这一发现于4月21日发表在Science杂志上(论文题目:Fructose-driven glycolysis supports anoxia resistance in the naked mole-rat)。

这一“超能力”可能与裸鼹鼠如何进行糖代谢有关。人类和其它哺乳动物分解葡萄糖产生能量需要经过多个步骤,总称为糖酵解。这个过程需要氧气。如果没有氧气,副产物(如乳酸)的积累会抑制糖酵解的第一步,进而能量产生会停止。储存的能量迅速耗竭,尤其是在大脑中。细胞开始死亡。

通过研究缺氧裸鼹鼠的化学变化,科学家们发现血液中有两种糖的水平大幅提高:果糖和蔗糖(一种由果糖和葡萄糖组成的分子)。此外,与其它哺乳动物相比,这些裸鼹鼠体内的GLUT5分子(作用是将果糖运输到细胞内)以及一种酶(作用是将果糖转化为一种能够进入糖酵解的形式)的水平更高。

Lewin说:“这些变化使得裸鼹鼠在没有氧气时能够使用果糖替代葡萄糖,作为燃料。”

由于果糖进入糖酵解在一个较后的阶段,因此如果没有氧气存在,或者当糖酵解的第一步被阻断,利用果糖作为燃料,能量产生能够继续。

并未参与该研究的加拿大McMaster大学生理学家Grant McClelland说:“对哺乳动物来说,这是一个特殊的‘专长’。”他还表示,甚至能够在无氧环境下存活很长时间的鱼、龟都没有以这样的方式调整糖酵解。

生物学家Rochelle Buffenstein已经研究裸鼹鼠超过30年。她说:“它们依然能够让我感到惊讶。研究人员应该开始寻找,是否有其它生活在低氧环境下的生物也已经进化成了使用果糖进行糖酵解的模式。”

不过,挪威奥斯陆大学的生理学家Göran Erik Nilsson表示,究竟这种果糖转换对裸鼹鼠的存活有多重要还不清楚。其它一些机制,如减慢新陈代谢也可能发挥了作用。裸鼹鼠异常低的体温也应该被考虑到。

更好的理解裸鼹鼠的这种能量转换将对人类起到关键的帮助。在中风或心脏病发作时,当氧气进入大脑被中断,脑细胞在几分钟内开始死亡。Park说:“如果我们能够激活果糖途径,我们将能显著延长这一时间跨度。”

参考资料:

Naked mole rats can survive 18 minutes without oxygen. Here’s how they do it

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  • Fructose-driven glycolysis supports anoxia resistance in the naked mole-rat

    The African naked mole-rat’s (Heterocephalus glaber) social and subterranean lifestyle generates a hypoxic niche. Under experimental conditions, naked mole-rats tolerate hours of extreme hypoxia and survive 18 minutes of total oxygen deprivation (anoxia) without apparent injury. During anoxia, the naked mole-rat switches to anaerobic metabolism fueled by fructose, which is actively accumulated and metabolized to lactate in the brain. Global expression of the GLUT5 fructose transporter and high levels of ketohexokinase were identified as molecular signatures of fructose metabolism. Fructose-driven glycolytic respiration in naked mole-rat tissues avoids feedback inhibition of glycolysis via phosphofructokinase, supporting viability. The metabolic rewiring of glycolysis can circumvent the normally lethal effects of oxygen deprivation, a mechanism that could be harnessed to minimize hypoxic damage in human disease.

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