水熊蟲因能承受多種極端的讓人環境而出名。除了能夠在高溫、類抵超低溫、抗輻高壓強等極端環境中生存，地表水熊蟲還能抵抗輻射。最強之前已有研究發現，生物射水熊蟲中含有一種特定的讓人損傷抑制蛋白(Dsup蛋白)，可以保護DNA免受由X射線的類抵傷害。在實驗室中，抗輻這種蛋白也能幫助人體細胞抵御X射線的地表損害。而最近，最強科學家揭示了Dsup蛋白的生物射作用機制，這或許能進一步推動這種神奇蛋白的應用。
編譯丨石云雷
審校丨楊心舟
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。
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。
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。
參考鏈接：
//www.livescience.com/tardigrade-protein-radiation-protection.html
//www.wikipedia.org
//elifesciences.org/articles/47682
//www.nature.com/articles/ncomms12808