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水熊虫还能让人类抵抗辐射?

2019-10-11 09:42:06  来源:新浪科技综合

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。

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)

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。

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