不愧是“地表最強(qiáng)生物”！還能讓人類抵抗輻射？

www.help-services.cn 2019-10-11 13:25

　　水熊蟲因能承受多種極端的環(huán)境而出名。除了能夠在高溫，超低溫，高壓強(qiáng)等極端環(huán)境中生存，水熊蟲還能抵抗輻射。之前已有研究發(fā)現(xiàn)，水熊蟲中含有一種特定的損傷抑制蛋白（Dsup蛋白），可以保?DNA免受由X射線的傷害。在實驗室中，這種蛋白也能幫助人體細(xì)胞抵御X射線的損害。而最近，科學(xué)家揭示了Dsup蛋白的作用機(jī)制，這或許能進(jìn)一步推動這種神奇蛋白的應(yīng)用。

　　首批月球居民

　　水熊蟲（Tardigrades）作為一大類（含1000多個物種）能在多種不同環(huán)境中生活的緩步動物，以絕佳的生存能力而聞名。它們能在大多數(shù)生物無法生活的極端環(huán)境生存，包括超高溫（181℃高溫下堅持2分鐘），極限低溫（-272℃），高壓強(qiáng)（600兆帕斯卡）。研究證實，它們還能生活在真空中，或是暴露在對其他動物致死的高強(qiáng)度射線和有毒化學(xué)物質(zhì)之中。

　　而水熊蟲所依賴的一種能力，就是脫水休眠。在缺少水分的環(huán)境中時，它們能通過脫水，將身體的含水量降低到3%，進(jìn)入一種類似假死的休眠狀態(tài)。而再次接觸到水時，它們又能重新復(fù)活。

　　今年8月，由以色列航空工業(yè)公司（IAI）發(fā)送的月球探測器“創(chuàng)世紀(jì)號”（Beresheet）上載有一個“月球圖書館”，它實際上是一個DVD大小的“檔案袋”，里面包含上千只休眠的水熊蟲。隨著“創(chuàng)世紀(jì)號”任務(wù)失敗，這些水熊蟲或許被灑在了月球表面。

　　雖然水熊蟲都保存在樹脂之中，能抵抗一部分的月球溫差和輻射。但科學(xué)家一直對水熊蟲強(qiáng)大的抗輻射能力充滿興趣。而最近，來自加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的研究團(tuán)隊，在水熊蟲抗輻射的機(jī)制中有了新發(fā)現(xiàn)。

　　抗X射線的超能力

　　X射線是一種具有很高能量的電磁輻射。自然條件下，X射線會在雷雨天氣伴隨閃電產(chǎn)生。另外，來自外太空的宇宙射線中也包含了大量的X射線。X射線能夠抑制細(xì)胞的生長，導(dǎo)致細(xì)胞損傷甚至壞死。這也是為什么長期進(jìn)行化療的癌癥病人會出現(xiàn)多種副作用，包括脫發(fā)，射線燒傷甚至是白血病。

　　生命個體在接觸高劑量的X射線后，基因會出現(xiàn)突變。原因在于，X射線穿過生物體時，能電離細(xì)胞內(nèi)的水分子并產(chǎn)生大量羥基自由基。羥基自由基作為一種壽命很短的高活性氧，具有極強(qiáng)的氧化活性，幾乎能和人體內(nèi)的所有生物分子發(fā)生反應(yīng)，包括蛋白質(zhì)和DNA。而羥基自由基也被認(rèn)為是目前已知的，對生物體毒性和危害最大的自由基。

　　真核生物的DNA在通常情況下，以染色質(zhì)的形式存在于細(xì)胞內(nèi)。DNA與組蛋白結(jié)合形成核小體，并組合形成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。之前已有研究證實，在一種水熊蟲 Ramazzottius varieornatus 中存在損傷抑制蛋白Dsup，但具體的作用機(jī)制并不清楚。并且現(xiàn)在科學(xué)家只在水熊蟲體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了Dsup蛋白，這讓這種蛋白更加神秘。

　　之前已有研究表明， Dsup蛋白會保?水熊蟲的DNA，防止脫水休眠狀態(tài)下細(xì)胞中的DNA 由于干燥變得脆弱，避免造成致命的DNA雙鏈斷裂（double-strand break）。最近，加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的研究團(tuán)隊在elife發(fā)表了一篇有關(guān)Dsup蛋白保?水熊蟲免受X射線輻射的最新研究，讓我們再次更新了對水熊蟲和Dsup蛋白的認(rèn)識。

　　研究中，他們對水熊蟲R。 varieornatus和另一種水熊蟲Hypsibius exemplaris的蛋白成分進(jìn)行了深入分析，并且對R。 varieornatus進(jìn)行了更完整的基因測序。這項研究的共同作者，加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校教授James Kadonaga說：“研究水熊蟲這種極端生物中的蛋白，可以讓我們?nèi)〉萌碌陌l(fā)現(xiàn)�！�

　　他們在初步的實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，Dsup蛋白能與細(xì)胞中的染色質(zhì)結(jié)合。并且相對于游離的DNA，Dsup蛋白與核小體的親合性更高�！拔覀儼l(fā)現(xiàn)Dsup能和染色體結(jié)合，” Kadonaga說，“但它是如何讓DNA免受傷害的呢？”

　　既然X射線會因為產(chǎn)生羥基自由基，而給DNA帶來毀滅性的損傷，Kadonaga接著解釋道，“我們想，也許可以研究一下Dsup蛋白是否能保?DNA免受羥基自由基的損傷。結(jié)果證實，Dsup蛋白確實能發(fā)揮作用�！�

　　實驗中，研究人員將一定劑量的羥基自由基直接作用于3.3 kb的環(huán)狀DNA時，絕大部分DNA降解成100~1000個堿基長度的DNA碎片。而如果給實驗樣本中加上Dsup蛋白，魔茍斯·包格力爾染色質(zhì)以及游離的DNA就會受到持續(xù)的保?。由于染色質(zhì)與Dsup親和性更高，它們能獲得比游離DNA更多的保?作用。當(dāng)一個核小體有4個Dsup蛋白時，能獲得最強(qiáng)的抵抗效果。即使用羥基自由基處理后，樣本中仍有大量完整的DNA保存完整。

　　與核小體結(jié)合的Dsup蛋白，能保?染色質(zhì)中DNA不受羥基自由基的影響。

　　通常羥基自由基主要與DNA雙鏈小溝上的氫原子相互作用，因此Kadonaga推測Dsup蛋白能與該位點結(jié)合，對DNA進(jìn)行保?。盡管這一點只是推測，他們也觀察到，Dsup蛋白能在染色質(zhì)周圍形成云狀的特殊結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)應(yīng)該就是阻斷羥基自由基靠近DNA的關(guān)鍵，也正是該結(jié)構(gòu)阻止它們打斷細(xì)胞內(nèi)的DNA。

　　在研究中的另一種水熊蟲H。 exemplaris體內(nèi)，他們沒有發(fā)現(xiàn)Dsup蛋白，但找到了一種Dsup蛋白的同源蛋白。這或許能解釋為什么H。 exemplaris同樣具備抗射線輻射的能力。

　　人類細(xì)胞也能獲益

　　Dsup蛋白除了能保?Ч端埂ぐ?窳Χ?水熊蟲抵抗輻射，也能令人類細(xì)胞受益。當(dāng)人類細(xì)胞獲得Dsup蛋白時，相對于普通細(xì)胞，在X射線照射時顯示出更強(qiáng)的生命力。

　　早在2016年，Dsup蛋白幫助DNA抵抗X射線的機(jī)制還尚未清楚時，日本東京大學(xué)的科學(xué)家Takuma Hashimoto就在《自然·通訊》上發(fā)文表示，他們在人類細(xì)胞表達(dá)Dsup蛋白時，Dsup蛋白能保?DNA免受超氧化物（ROS）和X射線的損傷。

　　他們發(fā)現(xiàn)，暴露在過氧化物中人類腎臟細(xì)胞HEK293中的DNA會出現(xiàn)嚴(yán)重的斷裂，尾部DNA的破壞高達(dá)71%，而在 Dsup表達(dá)的細(xì)胞中，DNA的損傷只有18%。另外，他們還發(fā)現(xiàn)利用中等劑量的X射線照射人類細(xì)胞時，直接導(dǎo)致了細(xì)胞死亡，而表達(dá)Dsup蛋白的人類細(xì)胞表現(xiàn)出了對X射線良好的抵抗作用。

　　而Kadonaga的新研究進(jìn)一步讓我們了解這種神奇蛋白可能的作用方式，Kadonaga 說：“現(xiàn)在我們已經(jīng)知道Dsup是如何工作的，而這正是開展Dsup蛋白實際應(yīng)用的基礎(chǔ)�！�

　　Kadonaga說，通過更加精細(xì)地分析 Dsup蛋白的功能，研究人員試圖以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建其他功能更加良好的蛋白，能更有效地保?細(xì)胞免受DNA的損傷。這些新的蛋白也許并不能用來繁育抗輻射的人類，但它們能提高可培養(yǎng)細(xì)胞的抗輻射能力，更好地應(yīng)用于藥物學(xué)研究。