挑战阐明“地上最强生物”熊虫的耐干燥性结构 ―发现随着水分消失，细胞中的蛋白质聚集起来制成纤维 概要
概要
自然科学研究机构生命创建探究中心( ExCELLS ) /分子科学研究所的加藤晃一教授和矢木真穗助教的研究小组由青木一洋教授( ExCELLS/基础生物学研究所)、村田和义特任教授( ExCELLS/生理学研究所)、内桥贵之教授( ExCELLS/名古屋大学)组成 庆应义塾大学)、古谷祐词副教授(分子科学研究所/现名古屋工业大学)共同进行了探索熊虫耐干燥机理的研究。 这次，通过综合使用各种尖端测量技术，在详细调查熊虫细胞内所见的蛋白质形状和行为的过程中，成功观察到了CAHS1这种蛋白质分子随着水分的消失而聚集的情况。 世界上首次表明，如果暴露在干燥条件下，或脱水压力施加在细胞上，这种蛋白质就会聚集起来制成纤维。 本研究成果于日本时间2021年11月4日19时在以自然科学的所有领域为对象的开放访问学术杂志《科学报告》上发表。
发表的要点 熊虫作为“地上最强生物”备受瞩目，一旦失去水分，就会转入被称为干睡的状态，暂时停止生命活动。 在这种状态下，即使在极低温和宇宙真空状态等恶劣环境下也能够生存。 虽然熊虫具有这样独特的性质，但其耐干燥性的结构尚不清楚。 这次，通过综合使用各种尖端测量技术，对熊虫细胞内丰富的蛋白质CAHS1的性质进行了调查，结果表明，在模仿干燥的条件下，该蛋白质之间自然聚集，形成纤维。 对细胞施加脱水压力的话，这个蛋白质的纤维就会变成像凝胶一样的组织，成功捕捉到了当压力消失后蛋白质集合体消失恢复原状的情况。 这一发现将有助于了解生命体对无水恶劣环境的适应战略。 研究背景 熊虫在生长环境中没有水的话，会处于被称为“干睡”的全部代谢停止的状态，在干燥的环境中生存，供水后会从干睡状态恢复，具有重新开始代谢的能力。 处于干睡状态的熊虫除了耐干燥外，还对极度高温低温、压力、放射线等引起的各种环境压力表现出很强的耐受性。 其中，已知被称为“最强熊虫”的陆生熊虫具有很强的干燥耐性。 一般认为，最强熊虫为了在没有水的情况下保护细胞，在细胞中常备几种蛋白质。 但是，那些蛋白质的作用还不明确。 本研究着眼于细胞内丰富的蛋白质CAHS1，调查了其形态和作用。 研究成果 研究小组首先使用透射电镜[注1]调查干燥状态的cahs-1蛋白质的形状，发现cahs-1蛋白质形成纤维。 由于随着失去水分，细胞中的蛋白质浓度增加，所以使用红外分光法[注2]、核磁共振法[注3]和高速原子力显微镜[注4]对水溶液中的CAHS1蛋白质从薄状态向浓状态变化时的分子结构和聚集状态的特征进行了调查 。结果发现，CAHS1蛋白质在浓度变高时自然聚集形成纤维，最终形成类似明胶的凝胶。 发现了这样的凝胶和纤维在用水稀释后消失，恢复到原来的溶液状态。 实际上，作为转基因蛋白质在大肠杆菌细胞内制造的CAHS1蛋白质也形成了纤维。 进而利用荧光显微镜进行实时成像，观察了来源于人类的培养细胞中制造出的CAHS1的行为。 研究表明，细胞受到脱水压力后，CAHS1蛋白质很快聚集形成巨大的集合体，一旦压力消失，这些集合体就会消失恢复到原来的状态。 成果的意义以及今后的发展 本研究发现，熊虫细胞内丰富的蛋白质CAHS1，以脱水为诱因自发形成纤维和巨大的集合体。 结果显示，水分恢复后蛋白质集合体解离后恢复原状。 这些蛋白质的集合体也许有保护细胞复活时所需的成分，隔离干燥产生的有害物质的作用。 本研究结果表明，最强熊虫由于细胞内经常含有丰富的这种蛋白质，因此兼具可以立即应对脱水状况的结构。 本研究的成果，不仅对熊虫的干眠机制，对理解生命环境适应的战略也有望提供重要的线索。 此外，该发现还将揭开“什么是活着”的谜团，并推动对医疗和生物技术的应用研究。
图]发现熊虫中丰富的蛋白质CAHS1，随着水分消失浓度变高，自然聚集形成纤维和凝胶，浓度变低后恢复到原来的状态。 另外发现，在来自人类的培养细胞中表达CAHS1，即使施加脱水压力，也能形成巨大的集合体。 * * *本研究在日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金、生命创建探究中心( ExCELLS program No.18-101、18-207、19-208、19-501 )等的支持下进行。
刊登论文 杂志名称:科学报告 论文标题: Desiccation-induced fibrous condensation of CAHS protein from an anhydrobiotic tardigrade
作者: Maho Yagi-Utsumi, Kazuhiro Aoki, Hiroki Watanabe, Chihong Song, Seiji Nishimura, Tadashi Satoh, Saeko Yanaka, Christian Ganser, Sae Tanaka, Vincent Schnapka, Ean Wai Goh, Yuji Furutani, Kazuyoshi Murata, Takayuki Uchihashi, Kazuharu Arakawa and Koichi Kato*.( *责任作者) 预定刊登日期:日本时间2021年11月4日19点 DOI:10.1038/s41598-021-00724-6 发表者 矢木真穗(生命创建探索中心/分子科学研究所)、青木一洋(生命创建探索中心/基础生物学研究所)、渡边大辉(生命创建探索中心/生理学研究所)、西村诚司(名古屋市立大学)、佐藤匡史(名古屋市立大学)、 谷中冴子(生命创建探索中心/分子科学研究所)、Christian Ganser (生命创建探索中心)、田中冴(生命创建探索中心)、Vincent Schnapka (分子科学研究所)、Ean Wai Goh (分子科学研究所)、古谷祐词(分子 村田和义(生命创建探究中心/生理学研究所)、内桥贵之(生命创建探究中心/名古屋大学)、荒川和晴(生命创建探究中心/庆应义塾大学)、加藤晃一(生命创建探究中心/分子科学研究所) 用语解说 注1 :透射型电子显微镜 用电子束照射试料，通过观察透射过来的电子束，可以以高分辨率看到分子的形态和细胞中的状态。 注2 :红外分光法 用红外光照射试样，测量透过或反射的光，可以观测反映分子振动的光谱，据此可以获得蛋白质等分子结构的相关信息。 注3 :核磁共振法 将蛋白质等放入磁场中照射无线电波，可以观测基于构成分子的各个原子的核自旋共振现象的光谱，从而在原子水平上解释分子结构。 注4 :高速原子力显微镜 是扫描型探针显微镜之一，可以通过使用安装在悬臂(悬臂梁)上的非常细的探针高速扫描试样表面，实时观察分子的结构和动态。 有关本案的咨询方式 (有关全部研究的咨询方式) 自然科学研究机构生命创建探索中心/分子科学研究所 教授加藤晃一 (有关报道的咨询处) 自然科学研究机构生命创建探究中心研究合作推进室 自然科学研究机构分子科学研究所加强研究能力战略室宣传负责人 自然科学研究机构基础生物学研究所宣传室 自然科学研究机构生理学研究所加强研究能力战略室 名古屋大学管理部总务科宣传室