南極章魚的“御寒內(nèi)功”

撰文/大慧小惠

南極章魚的“御寒內(nèi)功”

撰文/大慧小惠

有科學(xué)家宣稱：生活在南極海域的章魚擁有改變自身基因的能力以適應(yīng)惡劣的生存環(huán)境。

被冰雪覆蓋的南極大陸是地球上最寒冷的地區(qū)。南極海域隨處可見(jiàn)漂浮著的巨大冰山。在南極的冬天，浮冰面積可達(dá)1900萬(wàn)平方千米，即使到了夏天，其面積也有260萬(wàn)平方千米之多。生活在南極海域的章魚終年生活在寒冷的冰水里，既沒(méi)有企鵝那樣的厚實(shí)羽絨服，也沒(méi)有獨(dú)角鯨那樣的肥厚脂肪，那么它們是如何抵御極地的嚴(yán)寒呢？分子神經(jīng)生理學(xué)家羅森塔爾·約書亞及其弟子，首次從分子遺傳、表觀遺傳學(xué)的角度，揭示了章魚能夠在零下幾十度低溫中生存的奧秘。

一切緣起于一次大膽的假設(shè)

之前的研究已經(jīng)表明，低溫會(huì)阻礙神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)傳送信息的特定蛋白質(zhì)。當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元受到刺激的時(shí)候，胞膜上的蛋白質(zhì)通道會(huì)開啟或者關(guān)閉，以使不同的離子進(jìn)出。當(dāng)細(xì)胞膜上的跨膜電位恢復(fù)正常后，使鉀離子流出的離子通道關(guān)閉。然而，寒冷的溫度會(huì)延遲鉀離子通道的關(guān)閉，阻礙了神經(jīng)元再次產(chǎn)生興奮的能力。

關(guān)于生活在南極海域的章魚能夠抵抗嚴(yán)寒這問(wèn)題，羅森塔爾教授這樣假設(shè)：它們的鉀離子通道的基因會(huì)因環(huán)境而進(jìn)化，轉(zhuǎn)變成一種在低溫下活性更高、略微有所不通過(guò)的跨膜蛋白。這些生活在南極海域的章魚利用RNA編輯的方式，使得神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的蛋白質(zhì)適應(yīng)環(huán)境。而經(jīng)過(guò)修飾的鉀離子通道，能使這種章魚在寒冷環(huán)境中具有更高的活性。

小貼士

RNA，即核糖核酸，是一種重要的生物大分子，因分子由核糖核苷酸組成而得名。

RNA是具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物的遺傳訊息中間載體，除了參與蛋白質(zhì)合成外，還參與基因表達(dá)調(diào)控。每個(gè)RNA分子都由核苷酸單元長(zhǎng)鏈組成，每個(gè)核苷酸單元含有一個(gè)含氮堿基、一個(gè)核糖苷和一個(gè)磷酸基。

對(duì)一部分病毒而言，RNA是其唯一的遺傳物質(zhì)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了之前的假設(shè)

為了驗(yàn)證這種假設(shè)是否能成立，教授精心挑選了兩組章魚來(lái)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。一組來(lái)自于終年漂著浮冰的南極海域，生活在寒冷刺骨的冰水中；另一組則來(lái)自于陽(yáng)光燦爛的波多黎各，生活在25～35℃的暗礁上。有意思的是，這兩組章魚的生活環(huán)境雖然大相徑庭，卻有著基本一致的DNA序列。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，目的基因被插入到青蛙的卵細(xì)胞中，卵細(xì)胞制造出了目標(biāo)蛋白質(zhì)，實(shí)驗(yàn)人員將目標(biāo)蛋白質(zhì)嵌合進(jìn)它們的細(xì)胞膜上。這個(gè)操縱步驟很重要，因?yàn)樗軌驕y(cè)定出每個(gè)物種膜蛋白通道的活性。當(dāng)兩組章魚的鉀離子通道被蛙卵制造出來(lái)后，功能是完全相同的。在正常情況下，南極章魚的鉀離子通道關(guān)閉速度要比波多黎各章魚的慢60倍。這意味著它可能無(wú)法正常生存，可事實(shí)是這種章魚仍能安然存活。由此可以推斷出：處于不同的生存環(huán)境時(shí)，它會(huì)制造出不同的鉀離子通道。

那么，來(lái)自南極海域的章魚是如何保持鉀離子通道的興奮性呢？羅森塔爾教授認(rèn)為它是通過(guò)RNA編輯的方式，生成了適合低溫的特性蛋白質(zhì)，以保持鉀離子通道正常閉合。

細(xì)胞先通過(guò)轉(zhuǎn)錄DNA模板產(chǎn)生RNA，并將其作為產(chǎn)生蛋白質(zhì)的藍(lán)圖，進(jìn)而制造出攜帶有DNA序列信息的蛋白質(zhì)。在RNA編輯的過(guò)程中，細(xì)胞修飾了RNA核苷酸序列，從而改變了后來(lái)蛋白質(zhì)的氨基酸序列，再改變蛋白質(zhì)功能。

后續(xù)的研究揭示出，這種章魚確實(shí)在9個(gè)位點(diǎn)修飾了它的RNA序列，從而改變了鉀離子通道的氨基酸序列。這些位點(diǎn)的其中之一就在第I321V位，這對(duì)于適應(yīng)寒冷非常重要，因?yàn)檫@個(gè)變化將鉀離子通道的關(guān)閉時(shí)間提高了1倍以上。

為了使實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)更嚴(yán)謹(jǐn)，羅森塔爾教授也測(cè)定了其他種群的RNA編輯數(shù)量，實(shí)驗(yàn)對(duì)象中2個(gè)來(lái)自熱帶種群、2個(gè)來(lái)自溫帶種群、2個(gè)來(lái)自極地種群。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均驗(yàn)證了“種群生存的環(huán)境溫度越低，它們?cè)娇赡茉诘贗321V位進(jìn)行RNA編輯”的結(jié)論。

章魚是“基因大師”的意義很重大

羅森塔爾教授不僅證實(shí)了“這種生活在南極海域的章魚確實(shí)能通過(guò)RNA編輯的方式，來(lái)幫助自己更好地適應(yīng)環(huán)境”，也揭示了生物適應(yīng)環(huán)境的新途徑，即生物可以利用重寫 RNA，而不是改變 DNA來(lái)適應(yīng)環(huán)境。

當(dāng)然啦，相關(guān)研究目前還只是開始而已，后續(xù)研究還得解決諸如“是否RNA編輯夠改變種群的表型”等一系列亟需解決的問(wèn)題。不過(guò)他的研究已經(jīng)引發(fā)了諸如“其他生活在極端環(huán)境中的動(dòng)物們，是否也是能夠改變基因以適應(yīng)環(huán)境的‘基因大師’”的猜想。

或許隨著基因技術(shù)的發(fā)展，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)最環(huán)保的節(jié)能方法就是修改人類自身RNA以適應(yīng)環(huán)境。設(shè)想一下，在未來(lái)冬天里，人類不再把自己裹得像只粽子似的，也不需要極其耗能的空調(diào)，該是多么有趣的事兒啊。

小貼士

基因不僅在功能上多種多樣，在結(jié)構(gòu)上也是五花八門。人類對(duì)于基因的認(rèn)識(shí)，也仍在不斷的進(jìn)步中。因此，想要給基因下一個(gè)非常準(zhǔn)確并永遠(yuǎn)適用的定義是不可能完成的任務(wù)。

就目前所掌握的知識(shí)，基因可以定義為“能夠表達(dá)出一個(gè)有功能的多肽鏈或功能RNA分子的核酸序列”。其中“RNA分子”指的是rRNA和tRNA，“核酸序列”主要指DNA。對(duì)于RNA病毒來(lái)說(shuō)則指染色體RNA。