中国科学家在水熊虫找到抗辐射基因

介绍

缓步动物，通常被称为水熊虫，是一类小型节肢动物，以其对极端环境的耐受性而闻名，包括超高剂量的辐射。它们对电离辐射表现出异常的抵抗力，能够承受高达3000到5000戈瑞（Gy）的γ射线剂量，这大约是人类致死剂量的1000倍。缓步动物的放射耐受机制在很大程度上仍然不清楚。

理由

多组学数据挖掘策略在揭示缓步动物对极端环境耐受性的机制方面具有巨大潜力。通过整合基因组学、转录组学和蛋白质组学，我们解析了抗辐射反应的全基因组图景。经过差异分析和关键分子的筛选后，我们使用生化和细胞方法验证它们的功能角色，并深入探讨其背后的分子机制。

结果

我们在本研究中新鉴定出一个耐辐射物种——河南异足水熊（Hypsibius henanensis sp. nov.），获得了一个注释良好的染色体水平基因组。通过对重离子辐射后转录组和蛋白质组的差异分析，我们鉴定出2801个差异表达基因（DEGs）。基于这些DEGs的进化和功能分析，我们从三个不同的角度描述了放射耐受机制：首先，水平基因转移（HGT）可能是一个重要的进化事件，极大地促进了缓步动物超高辐射耐受性的发展。我们识别出了一个多巴二酚双加氧酶基因DODA1，我们认为它是从细菌转移到缓步动物的产物。DODA1对辐射有响应，并通过生物合成主要存在于植物、少数真菌和细菌中的一种色素——甜菜碱来赋予辐射耐受性。接下来，我们发现了一个缓步动物特有的辐射诱导无序蛋白TRID1，它通过包含相分离的过程加速DNA损伤修复。最后，非缓步动物特异性基因也对缓步动物的放射耐受性有所贡献。我们发现两种线粒体呼吸链复合体组装蛋白BCS1[辅酶Q–细胞色素c还原酶（bc1）合成]和NDUFB8[NADH脱氢酶（泛醌）1β亚基8]明显上调，然后积累以加速NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）再生，用于聚腺苷二磷酸核糖化（PAR化）和随后的PARP1[聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1]介导的DNA损伤修复。

结论

通过多组学数据挖掘和功能验证，我们的工作揭示了DODA1在激活氨基酸代谢途径（酪氨酸-多巴-甜菜碱轴）以减轻活性氧物种方面的作用，阐明了缓步动物特有的TRID1介导的相分离如何通过提高双链断裂修复效率来增强放射耐受性，并为BCS1和NDUFB8参与加速线粒体氧化磷酸化和NAD+再生提供了见解。对这些放射耐受机制的功能研究将拓宽我们对细胞在极端条件下生存的理解。

这个新物种在外观上与使用电子显微镜拍摄的 Hypsibius sp. tardigrade 相似。图片来源：Robert Schuster/科学图片库

一种新描述的缓步动物物种让科学家们深入了解是什么让这些微小的八足生物对辐射如此具有抵抗力。

缓步动物，也被称为水熊虫，长期以来一直让科学家着迷，因为它们能够承受极端条件，包括比人类致命剂量高出近 1,000 倍的辐射。已知的缓步动物物种大约有 1,500 种，但只有少数物种得到了充分的研究。

现在，科学家们已经对一个科学新物种的基因组进行了测序，并揭示了使缓步动物具有非凡恢复力的一些分子机制。他们的研究于 10 月 24 日发表在《科学》杂志上1，可识别数千个缓步动物基因，这些基因在暴露于辐射时变得更加活跃。这些过程指向一个复杂的防御系统，包括保护 DNA 免受辐射造成的损害并修复任何确实发生的断裂。

作者希望可以利用他们的见解来帮助保护宇航员在太空任务期间免受辐射、清理核污染或改善癌症治疗。

“这一发现可能有助于提高人体细胞的抗压能力，使接受放射治疗的患者受益，”该研究的合著者、北京生命组学研究所的分子和细胞生物学家张令强说。

保护基因

大约六年前，张令强和他的同事冒险进入中国河南省伏牛山收集苔藓样本。回到实验室，在显微镜下，他们发现了一种以前没有记录的缓步动物物种，并将其命名为 Hypsibius henanensis。基因组测序显示，该物种有 14,701 个基因，其中 30% 是缓步动物独有的。

当研究人员将 H. henanensis 暴露在 200 到 2,000 戈瑞的辐射剂量下时——远远超出了人类的生存能力——他们发现参与 DNA 修复、细胞分裂和免疫反应的 2,801 个基因变得活跃。

“这就像在战争时期，工厂被改造成只生产弹药。这几乎是重新调整基因表达工作方式的水平，“北卡罗来纳大学教堂山分校的细胞生物学家鲍勃·戈德斯坦 （Bob Goldstein） 说，他研究缓步动物已有 25 年。“我们对生物体如何改变它们的基因表达，以至于它们为特定基因制造如此多的转录本感到着迷。”

其中一个基因称为 TRID1，编码一种蛋白质，该蛋白质通过在损伤部位募集特殊蛋白质来帮助修复 DNA 中的双链断裂。“据我所知，这是一个新的 [基因]，没有人在研究它，”Goldstein 说。

研究人员还估计，缓步动物 0.5-3.1% 的基因是通过称为水平基因转移的过程从其他生物那里获得的。一种名为 DODA1 的基因似乎是从细菌中获得的，它使缓步动物能够产生四种称为甜菜碱的抗氧化色素。这些色素可以清除辐射导致细胞内形成的一些有害反应性化学物质，这些化学物质占辐射破坏性影响的 60-70%。

作者用缓步动物的一种甜菜碱处理人类细胞，发现它们比未处理的细胞更能在辐射中存活。

无有效期

研究使缓步动物能够忍受其他恶劣条件（如极端温度、空气剥夺、脱水和饥饿）的分子机制可能具有广泛的应用。例如，它可以延长疫苗等易碎物质的保质期。“你所有的药物都有有效期——缓步动物没有，”Goldstein 说。

比较不同缓步动物之间的这些机制是这项研究的重要组成部分，哥本哈根大学动物生理学家 Nadja Møbjerg 补充道。“我们仍然缺乏对不同缓步动物物种的了解，”她说。

戈德斯坦说，这些动物有 “一剂保护剂，可能会不断溢出来，这将是有用和有趣的理解”。“我们想了解这些是如何运作的，以及它们有什么潜力。”