河南高生熊蟲（Hypsibiushenanensis）
在絢麗多彩的自然界中，有一些極端生物進化出了適應(yīng)極端環(huán)境的能力，水熊蟲便是其中的代表[1]。水熊蟲，是緩步動物的俗稱，為微小的無脊椎動物，大部分體長不超過1毫米，通體透明，有4對短而粗的足，末端有爪子、吸盤或腳趾。水熊蟲分布于世界各地，亦可在真空中生存[2]。它們棲息于淡水沉渣、潮濕土壤以及苔蘚植物的水膜中，少數(shù)種類生活在海水的潮間帶。目前已報道的水熊蟲近1500余種，它們可耐受超強輻射、高溫、高壓、低溫、干燥等多種極端環(huán)境[3]，這些耐受特性具有很高的科學(xué)研究價值和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值。研究其極端環(huán)境耐受機制有助于深入理解生物體在極端環(huán)境中存活的適應(yīng)性進化機制，拓展我們對生命本質(zhì)和極限的認識。理解這些生物的內(nèi)在保護機制對于發(fā)展基于仿生策略的極端環(huán)境防護靶點與干預(yù)措施至關(guān)重要，也是人類拓展自身生存空間必須回答的重要生物醫(yī)學(xué)問題。 在諸多極端環(huán)境因素中，空間輻射損傷是制約人類深空探測和長期在軌駐留的關(guān)鍵醫(yī)學(xué)問題之一，同時多種涉核作業(yè)環(huán)境均受到超強輻射的嚴重威脅。現(xiàn)有輻射防護策略對超強輻射缺乏有效防護，亟需在概念創(chuàng)新、理論提升和防護技術(shù)革新等方面做出顛覆性突破。水熊蟲輻射耐受劑量是人類輻射致死劑量的上千倍[4]，是極好的輻射耐受研究對象，被科學(xué)界視為超強輻射機制研究新的突破口。但目前國際上對水熊蟲輻射耐受機制的認識很不清楚。 2024年10月25日，國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）張令強團隊和楊冬團隊，聯(lián)合陜西學(xué)前師范學(xué)院王立志等國內(nèi)相關(guān)研究團隊在《Science》發(fā)表題為Multi-omicslandscape and molecular basis of radiation tolerance in atardigrade的研究論文，報道了一種高生屬新種——河南高生熊蟲，并建立了其實驗室培養(yǎng)體系，繪制了高質(zhì)量基因組圖譜，在國際上首次整合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組響應(yīng)超強輻射的動態(tài)變化及分子進化和功能特征分析，揭示了河南高生熊蟲耐受超強輻射的三類機制，并分別對代表性關(guān)鍵分子進行了深入的功能和機制研究
2018年，該研究團隊從河南省伏牛山采集水熊蟲樣品，隨后率先在國內(nèi)建立了水熊蟲實驗室培養(yǎng)體系，實現(xiàn)了規(guī)?；囵B(yǎng)，后經(jīng)形態(tài)學(xué)和分子水平鑒定，確定所培養(yǎng)水熊蟲是一種新的高生屬水熊蟲物種，命名為河南高生熊蟲（Hypsibiushenanensis）；研究團隊對河南高生熊蟲在多種極端環(huán)境（如超強輻射、低濕等）下的耐受特性進行了表征，發(fā)現(xiàn)其可耐受高達5000Gy 的γ射線輻射（人的輻射致死劑量約為5 Gy）；隨后該團隊產(chǎn)出了國際上第一套有完善注釋的染色體水平高質(zhì)量水熊蟲基因組圖譜（112.6M，注釋得到14701個編碼蛋白的基因，均勻分布于6條染色體）；為探索河南高生熊蟲超強輻射耐受機制，他們利用200Gy和2000Gy的12C6+重離子照射水熊蟲并進行轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組檢測，分析得到2801個差異基因；進一步結(jié)合分子進化和功能特征分析，將河南高生熊蟲的輻射耐受機制歸為三大類：一是從細菌、真菌、植物中通過水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）到水熊蟲中的外來基因，賦予其特殊的抗逆能力，本研究共鑒定到75個高可信的HGT基因，其中13個在輻照后發(fā)生顯著上調(diào)；二是水熊蟲基因組中約30%的基因是緩步動物特異的，緩步動物特異蛋白傾向于高度無序，通過相分離參與DNA損傷修復(fù)等過程；三是與其它門類共有的古老蛋白（如線粒體呼吸鏈組裝蛋白）在水熊蟲中具有特殊的輻照響應(yīng)模式。
在第一類機制中，該研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種DOPA（多巴）雙加氧酶基因DODA1，它是細菌向緩步動物水平基因轉(zhuǎn)移的產(chǎn)物。DODA1在2000Gy輻照條件下發(fā)生17.3倍的表達水平上調(diào)，DODA1可催化合成甜菜色素（一種此前被認為存在于植物、少數(shù)真菌和細菌中的色素[5]），甜菜色素具有很強的抗氧化活性，因此能夠減輕輻射產(chǎn)生的大量ROS對細胞的損傷，從而賦予水熊蟲輻射抗性。在第二類機制中發(fā)現(xiàn)緩步動物特異的輻射誘導(dǎo)的無序蛋白TRID1依賴其Prion-like結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)液-液相分離，從而促進DNA損傷修復(fù)。在第三類機制中發(fā)現(xiàn)了線粒體呼吸鏈復(fù)合物組裝蛋白BCS1基因在包括河南高生熊蟲在內(nèi)的多種水熊蟲基因組中發(fā)生了普遍擴張，并且線粒體呼吸鏈復(fù)合物組裝蛋白BCS1和NDUFB8在輻照后表達明顯上調(diào)，從而促進線粒體NAD+再生，進而加快NAD+依賴的損傷修復(fù)蛋白PARP1介導(dǎo)的DNA損傷修復(fù)。令人興奮的是，上述在水熊蟲中發(fā)揮抗輻射作用的分子，轉(zhuǎn)入人源細胞中后，可以顯著提升人源細胞的抗輻射能力，這提示它們具有重要潛在應(yīng)用前景。
南高生熊蟲超強輻射耐受機制的多組學(xué)研究思路及核心結(jié)論示意圖
今天，人類仍然面臨著超強輻射的嚴重威脅。目前的輻射防護藥物僅可對低劑量輻射有一定效果。因此，如何另辟蹊徑來研發(fā)新的輻射防護策略，是擺在科研人員面前的一項重要而艱巨的任務(wù)。該研究工作基于對水熊蟲的抗輻射機制解析，發(fā)現(xiàn)了幾類代謝途徑的‘協(xié)同動員機制’，這為人類輻射防護的研究提供了重要理論依據(jù)和候選分子。 本論文由國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）張令強研究員、楊冬副研究員，陜西學(xué)前師范學(xué)院王立志教授等所率團隊聯(lián)合完成；第一作者為國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）李磊和付業(yè)勝博士，研究生葛正平、劉世豪、鄭坤、李亞琪及北京大學(xué)陳愷騏博士。 參考文獻 1. R. O. Schill, Ed., Water Bears: The Biology of Tardigrades (Springer, 2018). doi:10.1007/978-3-319-95702-9. 2. E. Weronika, K. Lukasz, Tardigrades in Space Research - Past and Future. Orig Life Evol Biosph, (2016). doi:10.1007/s11084-016-9522-1. 3. K. Arakawa, Examples of Extreme Survival: Tardigrade Genomics and Molecular Anhydrobiology. Annu Rev Anim Biosci 10, 17-37 (2022). doi:10.1146/annurev-animal-021419-083711. 4. T. Hashimoto, T. Kunieda, DNA Protection Protein, a Novel Mechanism of Radiation Tolerance: Lessons from Tardigrades. Life (Basel) 7, (2017). doi:10.3390/life7020026. 5. J. P. Carreon-Hidalgo, D. C. Franco-Vasquez, D. R. Gomez-Linton, L. J. Perez-Flores, Betalain plant sources, biosynthesis, extraction, stability enhancement methods, bioactivity, and applications. Food Res Int 151, 110821 (2022). doi:10.1016/j.foodres.2021.110821
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