2019-10-11
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。
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。
