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不愧是“地表最强生物”!不仅自己无坚不摧,还能让人类抵抗辐射?


图片来源:NPS/Diane Nelson


水熊虫因能承受多种极端的环境而出名。除了能够在高温、超低温、高压强等极端环境中生存,水熊虫还能抵抗辐射。之前已有研究发现,水熊虫中含有一种特定的损伤抑制蛋白(Dsup蛋白),可以保护DNA免受由X射线的伤害。在实验室中,这种蛋白也能帮助人体细胞抵御X射线的损害。而最近,科学家揭示了Dsup蛋白的作用机制,这或许能进一步推动这种神奇蛋白的应用。


编译丨石云雷

审校丨杨心舟



首批月球居民


水熊虫(Tardigrades)作为一大类(含1000多个物种)能在多种不同环境中生活的缓步动物,以绝佳的生存能力而闻名。它们能在大多数生物无法生活的极端环境生存,包括超高温(181℃高温下坚持2分钟)、极限低温(-272℃)、高压强(600兆帕斯卡)。研究证实,它们还能生活在真空中,或是暴露在对其他动物致死的高强度射线和有毒化学物质之中。


而水熊虫所依赖的一种能力,就是脱水休眠。在缺少水分的环境中时,它们能通过脱水,将身体的含水量降低到3%,进入一种类似假死的休眠状态。而再次接触到水时,它们又能重新复活。


水熊虫的正常状态(左)和脱水状态(右)


今年8月,由以色列航空工业公司(IAI)发送的月球探测器“创世纪号”(Beresheet)上载有一个“月球图书馆”,它实际上是一个DVD大小的“档案袋”,里面包含上千只休眠的水熊虫。随着“创世纪号”任务失败,这些水熊虫或许被洒在了月球表面。


虽然水熊虫都保存在树脂之中,能抵抗一部分的月球温差和辐射。但科学家一直对水熊虫强大的抗辐射能力充满兴趣。而最近,来自加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究团队,在水熊虫抗辐射的机制中有了新发现。



抗X射线的超能力


X射线是一种具有很高能量的电磁辐射。自然条件下,X射线会在雷雨天气伴随闪电产生。另外,来自外太空的宇宙射线中也包含了大量的X射线。X射线能够抑制细胞的生长,导致细胞损伤甚至坏死。这也是为什么长期进行化疗的癌症病人会出现多种副作用,包括脱发、射线烧伤甚至是白血病。


生命个体在接触高剂量的X射线后,基因会出现突变。原因在于,X射线穿过生物体时,能电离细胞内的水分子并产生大量羟基自由基羟基自由基作为一种寿命很短的高活性氧,具有极强的氧化活性,几乎能和人体内的所有生物分子发生反应,包括蛋白质和DNA。而羟基自由基也被认为是目前已知的,对生物体毒性和危害最大的自由基。


真核生物的DNA在通常情况下,以染色质的形式存在于细胞内。DNA与组蛋白结合形成核小体,并组合形成染色质结构。之前已有研究证实,在一种水熊虫 Ramazzottius varieornatus 中存在损伤抑制蛋白Dsup,但具体的作用机制并不清楚。并且现在科学家只在水熊虫体内发现了Dsup蛋白,这让这种蛋白更加神秘。


之前已有研究表明, Dsup蛋白会保护水熊虫的DNA,防止脱水休眠状态下细胞中的DNA 由于干燥变得脆弱,避免造成致命的DNA双链断裂(double-strand break)。最近,加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究团队在elife发表了一篇有关Dsup蛋白保护水熊虫免受X射线辐射的最新研究,让我们再次更新了对水熊虫和Dsup蛋白的认识。


研究中,他们对水熊虫R. varieornatus和另一种水熊虫Hypsibius exemplaris的蛋白成分进行了深入分析,并且对R. varieornatus进行了更完整的基因测序。这项研究的共同作者,加利福尼亚大学圣迭戈分校教授James Kadonaga说:“研究水熊虫这种极端生物中的蛋白,可以让我们取得全新的发现。”


他们在初步的实验结果中发现,Dsup蛋白能与细胞中的染色质结合。并且相对于游离的DNA,Dsup蛋白与核小体的亲合性更高。“我们发现Dsup能和染色体结合,” Kadonaga说,“但它是如何让DNA免受伤害的呢?”


既然X射线会因为产生羟基自由基,而给DNA带来毁灭性的损伤,Kadonaga接着解释道,“我们想,也许可以研究一下Dsup蛋白是否能保护DNA免受羟基自由基的损伤。结果证实,Dsup蛋白确实能发挥作用。”


实验中,研究人员将一定剂量的羟基自由基直接作用于3.3 kb的环状DNA时,绝大部分DNA降解成100~1000个碱基长度的DNA碎片。而如果给实验样本中加上Dsup蛋白,染色质以及游离的DNA就会受到持续的保护。由于染色质与Dsup亲和性更高,它们能获得比游离DNA更多的保护作用。当一个核小体有4个Dsup蛋白时,能获得最强的抵抗效果。即使用羟基自由基处理后,样本中仍有大量完整的DNA保存完整。


与核小体结合的Dsup蛋白,能保护染色质中DNA不受羟基自由基的影响。


通常羟基自由基主要与DNA双链小沟上的氢原子相互作用,因此Kadonaga推测Dsup蛋白能与该位点结合,对DNA进行保护。尽管这一点只是推测,他们也观察到,Dsup蛋白能在染色质周围形成云状的特殊结构这个结构应该就是阻断羟基自由基靠近DNA的关键,也正是该结构阻止它们打断细胞内的DNA。


在研究中的另一种水熊虫H. exemplaris体内,他们没有发现Dsup蛋白,但找到了一种Dsup蛋白的同源蛋白。这或许能解释为什么H. exemplaris同样具备抗射线辐射的能力。



人类细胞也能获益


Dsup蛋白除了能保护水熊虫抵抗辐射,也能令人类细胞受益。当人类细胞获得Dsup蛋白时,相对于普通细胞,在X射线照射时显示出更强的生命力。


早在2016年,Dsup蛋白帮助DNA抵抗X射线的机制还尚未清楚时,日本东京大学的科学家Takuma Hashimoto就在《自然·通讯》上发文表示,他们在人类细胞表达Dsup蛋白时,Dsup蛋白能保护DNA免受超氧化物(ROS)和X射线的损伤


他们发现,暴露在过氧化物中人类肾脏细胞HEK293中的DNA会出现严重的断裂,尾部DNA的破坏高达71%,而在 Dsup表达的细胞中,DNA的损伤只有18%。另外,他们还发现利用中等剂量的X射线照射人类细胞时,直接导致了细胞死亡,而表达Dsup蛋白的人类细胞表现出了对X射线良好的抵抗作用。


而Kadonaga的新研究进一步让我们了解这种神奇蛋白可能的作用方式,Kadonaga 说:“现在我们已经知道Dsup是如何工作的,而这正是开展Dsup蛋白实际应用的基础。”


Kadonaga说,通过更加精细地分析 Dsup蛋白的功能,研究人员试图以此为基础,构建其他功能更加良好的蛋白,能更有效地保护细胞免受DNA的损伤。这些新的蛋白也许并不能用来繁育抗辐射的人类,但它们能提高可培养细胞的抗辐射能力,更好地应用于药物学研究。


参考链接:

https://www.livescience.com/tardigrade-protein-radiation-protection.html

https://www.wikipedia.org

https://elifesciences.org/articles/47682

https://www.nature.com/articles/ncomms12808


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