Science | “水熊虫”抗辐射机制的多组学研究和分子基础
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缓步动物（tardigrade），通常称为水熊虫或苔藓猪，是一类十分有趣的微小无脊椎动物（体长约0.25至0.5毫米），隶属于缓步动物门。目前已描述约1500种缓步动物，它们展现出在极端环境下生存的非凡能力，包括抗干燥、耐寒以及抵抗电离辐射。对多种缓步动物的研究显示，它们是地球上最耐辐射的动物，能够承受高达3000至5000 Gy的伽马辐射，约为人类致死剂量的1000倍。
最新的体内研究证实，缓步动物具备强大的DNA修复能力。此外，在Ramazzottius varieornatus种中，研究人员鉴定出一种特有蛋白质——损伤抑制因子（damage suppressor，Dsup）。该蛋白通过与DNA和核小体结合，能够赋予培养的人类细胞对电离辐射的抗性，从而保护DNA免受辐射或羟自由基的损伤。Dsup蛋白在不同有机体和细胞类型中显示出对辐射和氧化损伤的增强耐受性。尽管已有大量研究，缓步动物超强抗辐射能力的许多机制仍待进一步探究。
为揭示缓步动物的抗辐射机制，军事医学研究院的张令强、杨冬，陕西学前师范学院的王立志和深圳华大基因的范广益课题组合作，获得了缓步动物Hypsibius henanensis（sp. nov.）染色体水平的高质量注释基因组，并进行了多组学分析和功能实验，识别出该新物种中支持其抗辐射能力的关键基因。
图1 DODA基因可能存在的水平基因转移现象
为了深入揭示sp. nov.的抗辐射机制，研究人员将其暴露于重离子辐射（12C6+），通过RNA测序和无标记shotgun蛋白质组学分析，鉴定出2801个差异表达基因。由于水平基因转移（horizontal gene transfer，HGT）是原核生物基因组进化的重要驱动因素，且受体物种适应极端环境的重要机制之一，研究人员鉴定出459个潜在的HGT衍生基因。在辐射后上调的13个强HGT证据基因中，上调幅度最高的基因编码了一种称为DODA1的4,5-DOPA双加氧酶，参与betalains（一种存在于石竹目植物和少数细菌、真菌中的色素）的生物合成。基因表达分析显示，在DODA1基因位点周围的21个基因中，只有DODA1的RNA表达在辐射后显著上调。
图2 DODA1 通过合成betalains赋予sp. nov.辐射抗性
酪氨酸羟化酶和DOPA 4,5-双加氧酶可将L-酪氨酸转化为次级代谢物betalains。为了确认DODA1的DOPA双加氧酶活性，研究人员分别表达并纯化了DODA1和GdDODA（后者来自细菌Gluconacetobacter diazotrophicus，经验证为DOPA 4,5-双加氧酶）。酶促实验结果显示，在GdDODA或DODA1存在的条件下观察到黄色生成物，表明生成了betalamic acid和dopaxanthin。超高效液相色谱–离子迁移谱–四极杆飞行时间质谱（UPLC-IMS-QTOF）进一步确认了GdDODA和DODA1上清液中betalamic acid和dopaxanthin的生成，支持L-DOPA在4,5-DOPA双加氧酶的作用下生成betalamic acid的过程。此外通过多反应监测液相色谱–串联质谱（MRM–LC-MS/MS）分析了反应上清液，验证了该过程。
图3无序蛋白 TRID1 通过相分离促进双链断裂修复
研究人员在分析辐射诱导上调的蛋白质时，发现了一种缓步动物特有的辐射诱导无序蛋白1（tardigrade-specific radiation-induced disordered protein 1，TRID1）。TRID1含有一个类朊蛋白结构域（prion-like domain，PrLD），为一种富含无电荷极性氨基酸的低复杂性区域，易于自组装并形成聚集体。为探究TRID1能否自行发生相分离，研究人员表达并纯化了GFP标记的TRID1（GFP-TRID1）。结果显示，在含50 mM NaCl的缓冲液中，TRID1形成了液滴。然而，随着NaCl浓度增加，液滴的数量和大小逐渐减少，并在300 mM NaCl下完全不再形成液滴，而是表现出融合现象，表明液滴发生了聚集合并。为进一步研究PrLD域在TRID1相分离中的作用，研究人员构建了GFP标记的PrLD缺失突变体（ΔPrLD），并在体外检测其液滴形成情况。与TRID1-WT不同，TRID1-DPrLD突变体在50 mM NaCl中即形成了蛋白聚集体。
图4非-缓步动物特异性基因在辐射抗性中的作用
在非-缓步动物特有的辐射耐受相关基因中，线粒体相关基因的比例显著偏高，线粒体呼吸链（mitochondrial respiratory chain， MRC）复合体在辐射后的显著上调表明其在辐射保护方面可能具有重要作用。为验证此假设，研究人员在表达sp. nov. BCS1a和NDUFB8蛋白的HeLa细胞中进行了集落形成、彗星和免疫荧光实验，结果表明BCS1a和NDUFB8的表达提高了细胞存活率，并减少了辐射引起的DNA损伤。
总体而言，该研究揭示了DODA1通过激活氨基酸代谢途径（酪氨酸-DOPA-betalains）来缓解ROS损害，阐明了缓步动物特有的TRID1介导的相分离在通过提高双链断裂（DSB）修复效率增强辐射耐受性方面的功能，并揭示了BCS1和NDUFB8在加速线粒体氧化磷酸化和NAD+再生中的重要作用。对这些缓步动物辐射耐受机制的深入研究将进一步拓宽我们对细胞在极端环境中生存的理解，并可能为促进人类健康和抗击疾病提供启示。
原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0799
供稿 | 黄隽豪
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲
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