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在绚丽多彩的自然界中，有一些极端生物进化出了适应极端环境的能力，水熊虫便是其中的代表(1)。水熊虫，是缓步动物的俗称，为微小的无脊椎动物，大部分体长不超过1毫米，通体透明，有4对短而粗的足。
水熊虫分布于世界各地，目前已报道近1500余种，可耐受超强辐射、高温、高压、低温、干燥等多种极端环境(2)，这些耐受特性具有很高的科学研究价值和生物医学应用价值。研究其极端环境耐受机制有助于深入理解生物体在极端环境中存活的适应性进化机制，有利于发展极端环境防护靶点与干预措施。
在诸多极端环境因素中，空间辐射损伤是制约人类深空探测和长期在轨驻留的关键医学问题之一，同时多种涉核作业环境均受到超强辐射的严重威胁。现有辐射防护策略对超强辐射缺乏有效防护，亟需在概念创新、理论提升和防护技术革新等方面做出颠覆性突破。水熊虫辐射耐受剂量是人类辐射致死剂量的上千倍(3)，被科学界视为超强辐射机制研究新的突破口。但此前国际上对水熊虫辐射耐受机制的认识却很不清楚。
2024年10月25日，军事科学院军事医学研究院张令强团队和杨冬团队，联合陕西学前师范学院王立志等国内相关研究团队在Science杂志发表题为Multi-omics landscape and molecular basis of radiation tolerance in a tardigrade的研究论文，报道了一种高生属新种——河南高生熊虫，并建立了其实验室培养体系，绘制了高质量基因组图谱，在国际上首次整合转录组、蛋白质组响应超强辐射的动态变化及分子进化和功能特征分析，揭示了河南高生熊虫耐受超强辐射的三类机制，并分别对代表性关键分子进行了深入的功能和机制研究。
2018年，该研究团队从河南省伏牛山采集水熊虫样品，并率先在国内建立了水熊虫实验室培养体系，实现了规模化培养，后经形态学和分子水平鉴定，确定其为一种新的高生属水熊虫物种，命名为河南高生熊虫（Hypsibius henanensis）；随后该团队产出了国际上第一套有完善注释的染色体水平高质量水熊虫基因组图谱；为探索其超强辐射耐受机制，他们利用200 Gy和2000 Gy的12C6+重离子照射水熊虫并进行转录组和蛋白质组检测，分析得到2801个差异基因；进一步结合分子进化和功能特征分析，将河南高生熊虫的辐射耐受机制归为三类：
一是从细菌、真菌、植物水平转移到水熊虫中的外来基因，赋予其特殊的抗逆能力；二是缓步动物特异蛋白倾向于高度无序，通过相分离参与DNA损伤修复等过程；三是与其它门类共有的古老蛋白（如线粒体呼吸链组装蛋白）在水熊虫中具有特殊的辐照响应模式。
在第一类机制中，该研究团队发现了一种DOPA（多巴）双加氧酶基因DODA1，它是细菌向缓步动物水平基因转移的产物。DODA1在2000 Gy辐照条件下发生17.3倍的表达水平上调，DODA1可催化合成甜菜色素（一种此前被认为存在于植物、少数真菌和细菌中的色素(4)），甜菜色素具有很强的抗氧化活性，因此能够减轻辐射产生的大量ROS对细胞的损伤，从而赋予水熊虫辐射抗性。
在第二类机制中发现缓步动物特异的辐射诱导的无序蛋白TRID1依赖其Prion-like结构域介导液-液相分离，从而促进DNA损伤修复。
在第三类机制中发现了线粒体呼吸链复合物组装蛋白BCS1基因在包括河南高生熊虫在内的多种水熊虫基因组中发生了普遍扩张，并且线粒体呼吸链复合物组装蛋白BCS1和NDUFB8在辐照后表达明显上调，从而促进线粒体NAD+再生，进而加快NAD+依赖的损伤修复蛋白PARP1介导的DNA损伤修复。
令人兴奋的是，上述在水熊虫中发挥抗辐射作用的分子，转入人源细胞后可以显著提升人源细胞的抗辐射能力，这提示它们具有重要潜在应用前景。
该研究工作基于对水熊虫的抗辐射机制解析，发现了几类代谢途径的“协同动员机制”，这为人类辐射防护的研究提供了重要理论依据和候选分子。
本论文第一作者为军事医学研究院李磊和付业胜博士，研究生葛正平、刘世豪、郑坤、李亚琪及北京大学陈恺骐博士。
参考文献
1. R. O. Schill, Ed. Water Bears: The Biology of Tardigrades (Springer, 2018). doi:10.1007/978-3-319-95702-9.
2. 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.
3. T. Hashimoto, T. Kunieda, DNA Protection Protein, a Novel Mechanism of Radiation Tolerance: Lessons from Tardigrades. Life (Basel) 7, (2017). doi:10.3390/life7020026.
4. 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.
来源：公众号 ScienceAAAS
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