極限生存冠軍

在漫長的進化過程中，生命發(fā)展出各種“生存絕技”來應(yīng)對極端惡劣的環(huán)境。例如，一些極端微生物（如古菌和細菌）不僅能在深海中沸騰的熱液噴口旁生存，還能在北極極寒中頑強活下去。

水熊蟲（緩步動物）就是其中一種“極限生存高手”。這種體型微小的無脊椎動物幾乎遍布多種生態(tài)環(huán)境。無論是在接近絕對零度的低溫，還是超過100°C的高溫環(huán)境下，它們能夠生存。它們對輻射的耐受力極高——能扛住大約是哺乳動物耐受上限的1000倍！

水熊蟲之所以能做到這一點，其中一個關(guān)鍵原因是它們具備一種叫做“失水蟄伏”（anhydrobiosis）的狀態(tài)。當(dāng)水熊蟲進入這種狀態(tài)時，體內(nèi)的水分會幾乎完全被抽干，讓它們在極端環(huán)境下如“休眠”般存活下來。

這讓科學(xué)家曾一度以為，只要水熊蟲脫水，就能獲得抗輻射能力。然而，后續(xù)的一些研究發(fā)現(xiàn)，有些水熊蟲即使在體內(nèi)仍含有水分的情況下，也能展現(xiàn)出驚人的抗輻射能力。這意味著，它們一定還藏著其他不為人知的保護機制。

這一發(fā)現(xiàn)讓科研界大受震動，并迅速掀起了探索“水熊蟲抗輻射秘訣”的研究熱潮。

Dsup：水熊蟲的DNA“守護神”

在一項發(fā)表于2016年的研究中，一個研究團隊對水熊蟲的基因進行測序后，發(fā)現(xiàn)了一種只存在于水熊蟲體內(nèi)的基因。研究顯示，這個基因是水熊蟲擁有超強抗輻射能力的關(guān)鍵因素之一。

這個基因負(fù)責(zé)編碼一種會進入細胞核的特殊蛋白質(zhì)。這種蛋白質(zhì)與科學(xué)界已知的其他蛋白幾乎沒有相似之處?？茖W(xué)家預(yù)測，這種蛋白屬于“無固定結(jié)構(gòu)”的類型，也就是所謂的固有無序蛋白。簡單來說，它不像很多蛋白那樣有明確的三維形狀，更像是一條柔軟、能隨時變換形狀的“絲帶”。研究人員推測，正是這種“柔軟”的特性，賦予了它保護DNA的能力。也因此，這種蛋白被命名為“損傷抑制因子”，簡稱Dsup。

在后續(xù)的一些研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們讓一些哺乳動物的細胞也能表達Dsup蛋白質(zhì)后，這些細胞也表現(xiàn)出更強的抗輻射能力，能夠保護細胞免受電離輻射和紫外輻射引起的DNA損傷。

水熊蟲抗輻射的秘密

自那以后，全球研究人員一直致力于弄清Dsup究竟是通過什么機制發(fā)揮作用的。針對Dsup保護DNA免受輻射損傷的非凡能力，科學(xué)家提出了多種可能的機制解釋。

有科學(xué)家認(rèn)為，Dsup更像是一個“盾牌”。在這樣的模型中，Dsup會包裹住DNA，形成物理屏障，從而阻擋輻射直接作用于DNA。還有科學(xué)家認(rèn)為，Dsup可能會增強細胞的DNA修復(fù)機制，在損傷造成嚴(yán)重后果之前就將其修復(fù)。

然而，這些模型得到的實驗支持程度不一，目前仍沒有任何一種解釋能在學(xué)界達成廣泛共識。事實上，這幾種機制很可能是并行存在的。由于Dsup不僅能抵御多種類型的輻射，還能抵御輻射損傷所產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物，因此這種神秘蛋白很可能具備多重功能。

Dsup是如何保護DNA的

在一項新研究中，為了弄清楚Dsup究竟是如何保護DNA的，生物化學(xué)家Tyler Woodward和Todd Washington借助多種實驗和計算方法，對這種蛋白的基本特性和結(jié)構(gòu)進行了深入分析。

研究發(fā)現(xiàn)，Dsup本身并沒有固定的三維結(jié)構(gòu)；在溶液中，它通常以單體形式存在，而且在未與DNA結(jié)合時會處于一種松散、無序的狀態(tài)，就像是浸在水中的面條，不斷擺動、彎曲，呈現(xiàn)多種動態(tài)構(gòu)型。

Dsup的結(jié)構(gòu)示意圖。（圖/Tyler Woodward，CC BY-SA）

此外，他們還發(fā)現(xiàn)Dsup會與DNA發(fā)生強烈的相互作用：無論是單鏈DNA還是雙鏈DNA，Dsup都能與其緊密結(jié)合，而且不是只在某一個位置結(jié)合，而是沿整條DNA鏈進行結(jié)合。

更有意思的是，當(dāng)Dsup與DNA結(jié)合后，它會使DNA雙鏈略微松開，就像拉鏈被輕輕松動一樣。這種輕微的解鏈可能會降低DNA在輻射暴露時受損的概率。

研究人員推測，Dsup之所以能保護DNA，是因為它的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)會與DNA產(chǎn)生特殊的相互作用，這種作用會微調(diào)DNA結(jié)構(gòu)，讓它更不容易受到損傷。

Dsup保護DNA的示意模型。（圖/Woodward et al. / Journal of Molecular Biology）

從醫(yī)學(xué)到太空的跨領(lǐng)域潛力

目前，科學(xué)家正在探索Dsup是否可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是在DNA損傷起關(guān)鍵作用的疾病中。由于幾乎所有癌癥都與DNA損傷密切相關(guān)，因此一些科學(xué)家認(rèn)為，Dsup以及受Dsup啟發(fā)而研發(fā)出的療法，將有望在未來用于阻止細胞癌變。

水熊蟲正是“小而強”的代表。（圖/Frank Fox／Wikimedia Commons，CC BY-SA）

除此之外，Dsup還可能在農(nóng)業(yè)、太空探索，甚至數(shù)據(jù)存儲方面發(fā)揮影響。當(dāng)科學(xué)家通過基因工程讓水稻和煙草產(chǎn)生Dsup時，這些植物表現(xiàn)出更強的抗輻射能力——這一令人振奮的結(jié)果表明，Dsup有望用于降低農(nóng)作物的輻射損傷。

在太空生物學(xué)領(lǐng)域，Dsup或許能幫助宇航員抵御強烈的宇宙輻射，從而突破長期太空任務(wù)所面臨的關(guān)鍵限制。

更具未來感的是，一些科學(xué)家正在研究如何利用水熊蟲等生物來實現(xiàn)超高穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)存儲。未來，人們可將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為DNA序列，并通過基因工程方式嵌入水熊蟲基因組中。屆時，Dsup便可幫助保護這些數(shù)據(jù)，使其在極端條件下仍能安全存在。

#參考來源：

https://doi.org/10.1016/j.jmb.2025.169490

https://theconversation.com/water-bears-survive-cosmic-radiation-with-one-dna-protecting-protein-learning-how-could-boost-human-resilience-too-268057

#圖片來源：

封面圖&首圖：Thomas Shahan/Flickr, CC BY-SA