水熊虫也有三体人脱水复活技能 脱水复活关键CAHS蛋白 竟能在人体细胞中表达

【字体: 时间:2022年09月09日 来源:生物通

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  日本研究人员首次描述了一种新的机制,解释水熊如何靠一种在细胞脱水过程中形成凝胶变硬以支持保护细胞免受机械压力的蛋白质,忍受极度脱水而不死亡的。这些蛋白质在昆虫细胞和人类培养细胞中竟也有作用!这。。。

  
   

Dehydration    

视频:这里你可以看到CAHS蛋白在人体细胞脱水过程中形成凝胶状细丝。    

来源:  A Tanaka和T Kunieda(作者)

水是维持生物体代谢活动和细胞完整性的重要分子。科幻小说《三体》中一个奇幻的设定,三体人具有“脱水技能”——在极端恶劣条件时躺平把身体内的水分彻底排出、变成可以卷起的人形软皮、骨骼成了干纤维、以躲避极端条件,等灾难过去条件合适时可以泡水复活。刘慈欣的想象力令人惊叹,而现实生物世界竟然也有多种具有类似技能的生物,比如缓步动物(水熊)、Polypedilum vanderplanki(一种睡眠摇蚊的幼虫)和卤虫(盐水虾)。先前有学者对睡眠摇蚊幼虫抗旱机制研究,发现在缓慢不断干燥条件下幼虫体内的海藻糖积聚升高,高浓度海藻糖取代细胞结构内的水分子并发生“玻璃化”,使得睡眠摇蚊幼虫能够耐受脱去体内97%的水的极端条件——直到数月后遇水再复活!极度干燥的“幼虫干”还有些超出常识的记录,比如在超过100度处理1分钟后回到室温水中能马上复活,甚至还有干燥保存17年再复活、抵抗7000 Gy 辐射再复活等记录,有“三体人”那味儿了。不过,自然界可不止有海藻糖能让生物脱水再复活,东京大学的研究人员《PLOS BIOLOGY》刚发表的一篇论文又对缓步动物(水熊)耐受极度脱水而还能复活的机制进行研究,发现一种细胞质富集热可溶性(CAHS)蛋白质负责保护其细胞耐受脱水,他们竟然还把CAHS蛋白放在昆虫细胞和人体细胞中表达了?!

有些缓步动物(也被称为水熊虫)可以在对大多数对生命不利、甚至致命的不同环境中生存,尽管它们非常小,神奇的生存能力很容易引起人们的想象——通过破译它们的秘密,我们或许可以将这些知识应用到自己身上,使人类更能适应极端的温度、压力,甚至脱水——尽管目前这还只是科幻小说。研究人员正在试图破解它们这种超强生存机制,因为这也可能带来其他好处。

来自东京大学的研究人员首次描述了一种新的机制,解释了一些缓步动物是如何忍受极度脱水而不死亡的。他们探索了在细胞脱水过程中形成凝胶的蛋白质——蛋白质凝胶会变硬,以支持和保护细胞免受机械压力的伤害。他们还将这些蛋白质在昆虫细胞中表达,也有作用,甚至在人类培养的细胞中也显示出有限的功能!

缓步动物能够通过进入一种称为脱水生物的可逆代谢状态来忍受几乎完全脱水,并在补液后恢复活力。脱水的缓步动物非常稳定,可以耐受各种物理极端情况。尽管有多项研究发现海藻糖和晚期胚胎发生丰富 (LEA) 蛋白可作为其他无水生物体中防止脱水的有效保护剂,但缓步动物会产生大量的缓步动物特有的保护性蛋白——细胞质富集热可溶性 (CAHS) 蛋白,对于它们的无水生物生存至关重要。

作者首先假设缓步动物中有一些耐受性蛋白以应激依赖性方式、通过相分离形成可逆的保护性缩合物,通过脱溶剂用的三氟乙醇 (TFE) 进行全面搜索,他们确定了 336 种蛋白质,统称为“依赖 TFE 的可逆缩合蛋白 (T-DRYP)”。在 T-DRYPs 中高度富集的CAHS 蛋白中有 3 个是 T-DRYPs 的主要成分。这些 CAHS 蛋白响应细胞的高渗应力、可逆地聚合成许多细胞骨架样细丝,在体外实验中能够经历可逆的凝胶转变。CAHS蛋白以高渗应激依赖性方式增加细胞刚度,抵消渗透压引起的细胞收缩,提高抗高渗应激的存活率。其保守的假定螺旋 C 末端区域对于 CAHS 蛋白形成细丝是必要和充分的,破坏该区域二级结构的突变会损害细丝形成和凝胶转变。基于这些结果,作者提出 CAHS 蛋白是一种新型的细胞骨架样蛋白,它们形成丝状网络并以应力依赖性方式进行凝胶转换,以抵抗脱水过程中的变形力、提供维持细胞完整性所需的物理稳定,并有助于维持脱水状态下的特殊物理稳定性。

东京大学生物科学系副教授Takekazu Kunieda表示:“尽管水对我们所知的所有生命都是必不可少的,但一些缓步动物能在没有水的情况下生存几十年。诀窍在于它们的细胞在脱水过程中如何应对这种压力。”“人们认为,当水离开细胞时,一定有某种蛋白质帮助细胞保持体力,避免坍缩。在测试了几种不同的蛋白质后,我们发现,缓步动物特有的细胞质富集热可溶性(CAHS)蛋白质,负责保护它们的细胞不脱水。”

对CAHS蛋白质的研究表明,它们可以感知包裹它们的细胞脱水,在细胞失去水分时形成凝胶状细丝网络、支撑着细胞的形状。这个过程是可逆的,所以当缓步动物细胞重新水化时,这些细丝以不会对细胞造成过度压力的速度消退。有趣的是,即使从缓步动物细胞中分离出来,这些蛋白质也表现出同样的作用。

“试图了解CAHS蛋白在昆虫和人类细胞中的表现是一些有趣的挑战,”该实验室的研究生、第一作者田中明弘说。“首先,为了可视化这些蛋白质,我们需要对它们进行染色,以便它们在显微镜下显示出来。然而,典型的染色方法需要含有水的溶液,这显然会使任何试图控制水浓度的实验混淆。所以我们转向了一种基于甲醇的解决方案来解决这个问题。”

对细胞或生物干保存相关机制的研究有许多未来的应用。Kunieda和他的团队希望通过这项新知识,研究人员可能会找到方法来改善干燥状态下细胞材料和生物分子的保存。这可能会延长用于研究的材料、短有效期的药物,甚至可能是移植所需的整个器官的保质期。

“关于缓步动物的一切都很迷人。一些物种能够在极端多变的环境中生存,这促使我们探索从未见过的机制和结构。对于生物学家来说,这是一个金矿。”“我永远不会忘记2019年元旦,我收到了这篇论文的另一位作者中野友美(Tomomi Nakano)的电子邮件。她一直工作到很晚,试图观察CAHS蛋白的凝结,并在人类培养的细胞中观察到第一个CAHS丝网络。看到这些东西的清晰显微图像,我感到很惊讶。这是我第一次看到这样的事情。这真是一个非常快乐的新年!”

然而,知道如何分离和激活这些特殊的蛋白质只是一个开始。Kunieda和他的团队计划筛选300多种其他种类的蛋白质,其中一些可能在这些微小的水熊令人难以置信的生命保护能力中发挥了作用。

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