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不愧是“地表最強生物”!還能讓人類抵抗輻射?

文章來源:未知

作者:老鐵SEO

人氣:10

2019-10-11

圖片來源:NPS/Diane Nelson圖片來源:NPS/Diane Nelson

  水熊蟲因能承受多種極端的環境而出名。除了能夠在高溫、超低溫、高壓強等極端環境中生存,水熊蟲還能抵抗輻射。之前已有研究發現,水熊蟲中含有一種特定的損傷抑制蛋白(Dsup蛋白),可以保護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胞抵御X射線的損害。而最近,科學家揭示了Dsup蛋白的作用機制,這或許能進一步推動這種神奇蛋白的應用。

  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。它們能在大多數生物無法生活的極端環境生存,包括超高溫(181℃高溫下堅持2分鐘)、極限低溫(-272℃)、高壓強(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度射線和有毒化學物質之中。

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

水熊蟲的正常狀態(左)和脫水狀態(右)水熊蟲的正常狀態(左)和脫水狀態(右)

  今年8月,由以色列航空工業公司(IAI)發送的月球探測器“創世紀號”(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“創世紀號”任務失敗,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。但科學家一直對水熊蟲強大的抗輻射能力充滿興趣。而最近,來自加利福尼亞大學圣迭戈分校的研究團隊,在水熊蟲抗輻射的機制中有了新發現。

  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射線能夠抑制細胞的生長,導致細胞損傷甚至壞死。這也是為什么長期進行化療的癌癥病人會出現多種副作用,包括脫發、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,基因會出現突變。原因在于,X射線穿過生物體時,能電離細胞內的水分子并產生大量羥基自由基。羥基自由基作為一種壽命很短的高活性氧,具有極強的氧化活性,幾乎能和人體內的所有生物分子發生反應,包括蛋白質和DNA。而羥基自由基也被認為是目前已知的,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,以染色質的形式存在于細胞內。DNA與組蛋白結合形成核小體,并組合形成染色質結構。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,但具體的作用機制并不清楚。并且現在科學家只在水熊蟲體內發現了Dsup蛋白,這讓這種蛋白更加神秘。

  之前已有研究表明, Dsup蛋白會保護水熊蟲的DNA,防止脫水休眠狀態下細胞中的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,加利福尼亞大學圣迭戈分校的研究團隊在elife發表了一篇有關Dsup蛋白保護水熊蟲免受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的蛋白成分進行了深入分析,并且對R。 varieornatus進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,可以讓我們取得全新的發現。”

  他們在初步的實驗結果中發現,Dsup蛋白能與細胞中的染色質結合。并且相對于游離的DNA,Dsup蛋白與核小體的親合性更高。“我們發現Dsup能和染色體結合,” 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蛋白是否能保護DNA免受羥基自由基的損傷。結果證實,Dsup蛋白確實能發揮作用。”

  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,染色質以及游離的DNA就會受到持續的保護。由于染色質與Dsup親和性更高,它們能獲得比游離DNA更多的保護作用。當一個核小體有4個Dsup蛋白時,能獲得最強的抵抗效果。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。

  與核小體結合的Dsup蛋白,能保護染色質中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蛋白能與該位點結合,對DNA進行保護。盡管這一點只是推測,他們也觀察到,Dsup蛋白能在染色質周圍形成云狀的特殊結構。這個結構應該就是阻斷羥基自由基靠近DNA的關鍵,也正是該結構阻止它們打斷細胞內的DNA。

  在研究中的另一種水熊蟲H。 exemplaris體內,他們沒有發現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。

  人類細胞也能獲益

  Dsup蛋白除了能保護水熊蟲抵抗輻射,也能令人類細胞受益。當人類細胞獲得Dsup蛋白時,相對于普通細胞,在X射線照射時顯示出更強的生命力。

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

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

  而Kadonaga的新研究進一步讓我們了解這種神奇蛋白可能的作用方式,Kadonaga 說:“現在我們已經知道Dsup是如何工作的,而這正是開展Dsup蛋白實際應用的基礎。”

  Kadonaga說,通過更加精細地分析 Dsup蛋白的功能,研究人員試圖以此為基礎,構建其他功能更加良好的蛋白,能更有效地保護細胞免受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細胞的抗輻射能力,更好地應用于藥物學研究。

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