《分子细胞》:玻璃盾保护水熊免遭脱水 蛋白

现代化研

作者：Lorena Rebecchi

来源：《分子细胞》

发布时间：2017/3/18 22:48:54

玻璃盾保护水熊免遭脱水

水熊虫 图片来源：3Dstock/shutterstock

极端高温、辐射和宇宙风似乎从来不是困扰，一种被称为水熊虫的胖墩墩的仅用显微镜可见的捕食者，能够在这些严酷的条件下存活。

现在，研究人员可能找到了这种缓步类动物其中一种“超能力”背后的机制：它们能够在干旱的环境中枯竭但继续存活，然后数年甚至数十年后重新水化。

由于生长在苔藓里，水熊虫也被叫做“苔藓猪”，这种缓步类生物以水为家，遍布全世界，其身体表层覆盖着一层水膜，能避免身体干燥，同时可呼吸水膜中的氧气。但当它们的液体家园被蒸发后，这种超级耐旱能力便派上了用场。

研究人员表示，在整个枯萎—水化过程中，水熊虫能丧失体内和细胞中几乎所有的水分。它们还能排除一种独特的无定形蛋白质，并在其细胞内形成一种玻璃样的物质。相关论文近日刊登于《分子细胞》期刊。

这些材料或能包裹和保护重要分子，直到干旱期结束。科学家表示，人们能够借助这种保护蛋白提高作物的耐旱性，以及保护疫苗使其不需要冷冻或冷藏。

据悉，水熊虫是地球上生命力最强的生物，具有强大的生命力与高超的生存本领，甚至可以在没有防护措施的条件下在外太空生存。缓步动物具有四种隐生性（即低湿隐生、低温隐生、变渗隐生和缺氧隐生），能够在恶劣环境下停止所有新陈代谢，等待复活时机。（来源：科学网 张章）

http://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(17)30133-8



http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201731822485423943164.shtm

现代化研

基因组测序揭示水熊虫极端环境适应性

作者：Takekazu Kunieda

来源：《自然—通讯》

发布时间：2016/9/21 10:11:10

基因组测序揭示水熊虫极端环境适应性

水熊虫是一种小型水生动物，又称为缓步动物，16-9月20日出版的《自然—通讯》发表了一篇有关其基因组测序的最新研究成果。该研究在缓步动物体内发现一种基因，其蛋白质能够抵抗人类培养细胞内的DNA损伤。这表明特异于缓步动物的蛋白质或有助于细胞抵抗DNA损伤来源。

缓步动物可以在极端的压力环境（包括真空）中生存，不过之前不了解其具体如何在极端环境下生存。缓步动物的这种能力促使研究人员对其基因组展开调查，对缓步动物的第一次基因组测序结果显示，在缓步动物演化过程中，缓步动物通过水平基因转移（不同物种基因组之间的DNA转移），从其他物种中获得了大量基因。但是，缓步动物对极端环境所表现出的耐受力的根源仍是未解之谜。

日本东京大学的Takekazu Kunieda及同事呈现了以耐高压环境著称的水熊虫的高质量基因组，他们并未发现大规模水平基因转移的证据，但与苍蝇和蠕虫相比，负责耐受高压环境的基因数量较多。此外，他们发现了一种与DNA结合，并且有助于保护培养的人类细胞不受X射线辐射影响的蛋白质，他们认为该蛋白质为缓步动物所特有。通过详细对比缓步动物基因和其他物种基因，作者发现为这种保护性蛋白质指定遗传密码的基因可能为缓步动物所特有。这些结果不支持耐受性源自水平基因转移的观点。

虽然目前仍不清楚缓步动物独特的适应性如何在分子级别或有机体级别发挥作用，但上述研究结果表明，缓步动物已经演化形成对抗压力条件的独门“秘籍”。（来源：中国科学报 张章）

http://www.nature.com/articles/ncomms12808

http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201692110111018441104.shtm





最强生命水熊虫：原来是个DNA大盗:

http://news.mydrivers.com/1/481/481660.htm



水熊虫:

水熊虫不死之谜

打眼一看，水熊虫有些吓人。胖胖的脸上堆满了皱纹，长有八条腿，上面有着锋利的爪子，嘴巴也是一个厉害的武器，匕首一样的牙齿可以咬穿猎物。
水熊虫其实只有1.4毫米长，有900种已知的种类。它们大多数以吸食苔藓、地衣及藻类的汁液为生，少数水熊虫是肉食动物，会捕食其他的同类。别看水熊虫长得很小，它们却能够在极其困难的条件下存活。

1、假死之谜

当一个常见的细胞被干燥处理后，细胞膜会裂开，蛋白质会释放出来并聚集在一起，从而失去功能，随着变干的时间增长，DNA也开始断裂成碎片。但是，水熊虫在失去水分的时候，会缩回自己的头部和八只足，随后进入一种深度的假死状态，新陈代谢降到正常水平的0.01%。
它们可以保持这种状态数十年，当接触到水的时候，它们才会复活。在开始变干时，水熊虫好像产出了许多抗氧化剂。这些化学物质类似于维生素C和维生素E，它们帮助吸收掉水熊虫细胞中的有害化学物质。

2、经受高温与低温的考验

冰与火的考验，对水熊虫都不成问题。1842年，一名法国科学家展示了一只在深眠状态下的水熊虫，它在被加热到125℃并保持了几分钟后最终得以复活。20世纪20年代，另一名研究者也重演了这一幕。这一次水温加到151℃。
在抗低温实验中，水熊虫仍然是佼佼者。研究者把虫子浸入-200℃的液态气体中长达21个月、-253℃的液氮中26小时、以及在-272℃的液态氦气中8小时，后来这些虫子接触到水后立马就活了过来。
一些动物，包括一些鱼类，能够产生抗结冰的蛋白质，以确保不被冻成冰块。但是这类蛋白质并没有在水熊虫体内找到。水熊虫可以忍受细胞内的结冰，它们既可以保护自己不受冰晶的伤害，也能够修复这种伤害。

3、经受高压和辐射的折磨

日本神奈川大学的学者发现，水熊虫能够应对极高的压力，而其他大多数动物在相同情况下则会被压成肉饼。2007年，数以千计的水熊虫被装入卫星并发射进太空。在卫星被收回地球后，科学家检查了它们，发现经历电离辐射后很多也都活了下来。一些雌性虫子甚至还在太空中产了卵，那新出生的虫子也很健康。

4、水熊虫的神奇之谜

极热，极寒，辐射和高压，所有这些恶劣条件有一个共性：破坏DNA和水熊虫的细胞结构。寒与热均可导致蛋白质的分解、粘连并停止工作；辐射会撕裂DNA和其他重要的生命分子；高压则会硬化包裹细胞的脂肪质细胞膜。举例来讲，把虫子变干燥和用辐射照射都会破坏水熊虫的DNA。
水熊虫用相似的方法就可以应对这两种条件，通过制造抗氧化剂保护并修复被损伤的DNA。此外，如果水熊虫保持在脱水深眠状态较长时间，它的DNA就会被破坏掉，但是在苏醒后，它又能够快速修复损伤。水熊虫已经在地球上生活了5亿个年头，神奇的生存本领让它们遍布整个星球。

详细：

http://m.yi2.net/article/201608/13355.html



地球上最顽强的生物之一，缓步动物（tardigrade），更常见的俗名是“水熊虫”（因为它看起来像可爱的多腿小熊）。这种微小的动物对几乎所有的东西都有抵抗力：煮，冻，辐射，丢真空——它都很难死掉。要不是它个头太小的话，恐怕消灭几个玻璃碴三明治也不在话下。
 
水熊虫的绝招是所谓的“隐生”（cryptobiosis），把生命代谢放慢到几乎停止的程度。进入休眠态时，它的身体含水量可以降到仅仅3%，是名符其实的“脱水”。但是只要把水加回去，水熊虫就能像瓷实麦克一样复生，用它名为“口针”的特殊口器刺穿藻类等生物，吸取里面的营养。
 
“它们可能是我们所知的动物中最极端的生存专家”，北开罗莱纳大学的生物学家鲍勃·戈德斯坦（ Bob Goldstein）。“人们老说什么‘杀不死的小强’，照我看，等蟑螂都死到不能再死的时候，我们还能找到脱水的水熊虫，加了水之后还能活蹦乱跳。”
 
这种脱水“冬眠”并不是只睡一个冬天，这和真的熊可不一样（水熊虫是无脊椎动物）。据我们所知，水熊虫脱水至少十年后还能照常复苏，只是可能会发现它们的衣服突然不时兴了。
 
水熊虫的扫描电镜显微照片。和普通的熊一样，它们有爪子用来帮助走路。剩下的基本上所有东西都和普通的熊不一样。图源：Bob Goldstein / Vicky Madden

瓷实麦克能在冰天雪地里谈笑风生，但水熊虫在隐生状态下所能承受的低温就简直匪夷所思了。它可以在零下272摄氏度的实验室环境里存活，这种温度下连物质的存在形态都变得奇怪了。
 
正常情况下，生物体内的原子都在疯狂地振荡，到了这种低温下这些原子几乎都静止了——可是水熊虫还能活着。更加难以置信的是，要知道水熊虫是有大脑的。的确，这是个相对简单的脑，但毕竟也是神经元组成的，而且能熬过脱水到3%和-272℃的低温而近乎毫发无伤……
 
水熊虫还能忍受六倍于最深海底的压力。甚至有一次实验把一批水熊虫暴露在真空中长达10天，最后竟然还有几只没有死掉。（顺便一说，人类在真空中最多也就能活上两三分钟吧。1965年有个NASA的倒霉哥们在真空室里不小心让他的宇航服失压了，15秒之后他就失去了意识。他醒来之后说，他昏迷前最后的记忆是舌头上的水在沸腾——我猜这感觉应该和跳跳糖差不多，只不过对你身体的害处恐怕更大。）
 
回到水熊虫。它们可以承受的辐射剂量数百倍于人类。它们对热水也没什么意见——哪怕是150摄氏度的热水。所以问题是，为什么？为什么要演化出这种存活能力，能在只有科学家实验室搞出来的低温和高压里生存呢？在人类诞生之前，地球上根本就没有出现过这种环境啊！
 
水熊虫甚至没有生活在那些极端环境里，比如某些细菌喜欢的沸腾热泉。所以过去这些年来人们爱说它是“嗜极端生物”，这并不合适。它能忍受这些极端环境并不意味着它就会主动去寻找。
 
事实上，它们最喜欢的是世界各地最经典最常规的土壤、沙地和苔藓。我是说，你是愿意住在沸酸湖里的青旅呢，还是愿意在沙滩度假上喝藻类鸡尾酒呢？
 
但这不意味着水熊虫的天堂里没有麻烦。“如果你生活在土壤里，”戈德斯坦说，“脱水的威胁是无处不在的。”比方说，如果太阳晒干了土壤表面的话，一种策略是往土壤深处钻，但“如果你钻得太深，食物就不怎么多了。所以它们的生活很可能像是走钢丝，既要获得食物，又要面对晒干的危险。”
 


刚刚孵化出来的水熊虫，其DNA标记为蓝色。

所以，水熊虫难以置信的求生技能可能仅仅是土壤里艰难生活的自然产物，而抵抗闻所未闻的低温和高压只不过是这一脱水策略的额外福利。但另一个更让人困惑的问题是，它怎么办到的？戈德斯坦的实验室正在研究这一点，他认为水熊虫可能不仅仅是靠一个简单的绝招，而是一系列策略来忍受干燥，最终复活。

“有一种机制我们是知道的：有些耐干燥的动物会制造一种名为‘海藻糖’（trehalose）的糖类，”他说，“脱水逐渐进行时，海藻糖会逐渐地‘取代’水，在本来有水的地方形成透明层，这很可能避免了很多脱水或复水时的常见伤害。”但是，水熊虫有1000种左右，并非所有种类都会合成这种糖，所以一定有某些别的诀窍。

http://www.guokr.com/article/438146/



形形色色的生物動物界
緩步動物門

緩步動物是多細胞動物。它們非常細小，大小約 0.5~1.5MM，牠們是俗稱水熊蟲
的一種小型動物，緩步動物是多細胞動物。它們非常細小，大部分不超過 1 毫米，
最小的Echiniscus parvulus初生的時候只有 50 微米。而最大的Macrobiotus bufelandi
則只達 1.4 毫米。通體透明，無色，黃色，棕色，深紅色或綠色。它們的顏色主
要是它們的食物賦予的。它們食入含類胡羅玻素的食物，類胡蘿蔔素可以在各器
官沉積。
它們由頭部，四個體節，被幾丁質構成的角質層覆蓋。四隊腳，末端有爪子，吸
盤或腳趾。由長長的細胞組成的肌肉因應體節而分佈。口前有兩向前突出，一個
用於刺進食物，另一個則是吸收工具。前腸有很多成對腺體，薄薄的食道連接中
腸。在兩個目的水熊蟲中腸和末腸之間有馬氏管，專司體內的滲透壓平衡。
神經系統的構成：咽上下神經節，其中咽下神經節和腹部四個神經節鏈式相連。
體腔中的細胞負責儲存。水熊蟲沒有循環系統和呼吸系統。
緩步動物通常是雌雄異體。它們的性腺是次體腔的殘留物，使不成對的囊狀器
官，或者是在肛門前向外開口，或者是向終腸開口。卵子並不需要事先受精就可
以被排出體外。
緩步動物門，能夠在惡劣環境下停止所有新陳代謝。緩步動物也因此被認為是生
命力最強的動物。在隱生的情況下，一般可以在高溫（151°C）、絕對零度（-272.8
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°C）、高輻射、真空或高壓的環境下生存數分鐘至數日不等。曾經有緩步動物隱
生超過 120 年的記錄。
水熊亦能承受 57 萬侖琴，也就是說，水熊的放射線耐力是人類的千倍之多。有
些研究報告也指出，把收藏在博物館達 120 年的苔蘚類標本添加水分後，隱身其
中的水熊有兩、三隻又恢復活動狀態，隨後甚至步行了兩、三分鐘才告死亡。
水熊這種生物比蟑螂還強，科學家曾經在鹽礦中發現以修眠了數百年的水熊，她
們給予它水分和營養後，它就然能夠醒過來並繼續正常的生理活動。

http://www.shs.edu.tw/works/essay/2008/10/2008103115540873.pdf



水熊蟲- 台灣Word

http://www.twword.com/wiki/%E6%B0%B4%E7%86%8A%E8%9F%B2



缓步动物门
维基百科，自由的百科全书

缓步动物门是动物界的一个门，是俗称水熊虫（Water Bear）的一类小型动物，主要生活在淡水的沉渣、潮湿土壤以及苔藓植物的水膜中，少数种类生活在海水的潮间带。有记录的大约有750余种，其中许多种是世界性分布的。在喜马拉雅山脉（海拔6000米以上）或深海（海拔4000米以下）都可以找到它们的踪影。从此直至今天，人们对缓步动物在动物分类中的位置、形态学、生活方式、组织学以及其隐生性的研究兴趣就有增无减。
缓步动物也是第一种已知可以在太空中生存的动物。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E ... 8%E7%89%A9%E9%97%A8

现代化研

几个家族的IDP，如晚期胚胎发生丰富（LEA）蛋白和亲水性，已知或怀疑在跨越生活的所有王国的生物体的胁迫耐受中的作用（Chakrabortee等人，2012，Dang等人，2014，Garay-Arroyo等人，2000），并且最近的研究证明在异源表达MAHS蛋白的细胞中稍微改善的高渗性耐受性（Tanaka等人，2015）。这些观察，加上这一事实的TDP通过在干燥诱导H. dujardini，表明它们在缓步动物胁迫耐受性作用（Yamaguchi等，2012，Tanaka等，2015年）。然而，直到现在还没有进行直接检查环境条件对编码TDP的基因的表达或其参与tardigrade干燥耐受性的影响的研究。

组成型表达或富集的TDPs在干燥期间守恒在Eutardigrades
我们假设高水平的TDP转录物干燥杜氏盐藻是更普遍的干燥耐受性tardigrades的特点。为了测试这个假设，我们从第二个干燥耐受的tardigrade物种（Paramacrobiotus richtersi）中测序水合和干燥的转录组，其也不能耐受快速干燥（Wright，1989）。结果概括我们H. dujardini观察，以31 20 CAHS成绩单，2 19 SAHS成绩单，并在干燥的丰富0-2 MAHS成绩单P. richtersi（图3 A）。

为了测试tardigrade物种是否需要预处理的程度反映了干燥后TDP的诱导，我们组装并分析了第三种tardigrade物种的转录组（从公众可获得的短读数），其中tardigrade物种是Tyrigesium（图 1A），其需要很多少预处理（Wright，1989）。M. tardigradum干燥（期间没有显著丰富TDP功耗任何表达图3 B）。然而，几个CAHS成绩单在组成性高水平表达（图 3B）。例如，一个CAHS转录物是鉴定的第三丰富的转录物（图 3B）。

总之，这些数据表明不同tardigrade物种中TDP的表达水平反映了该物种需要预处理的程度。在需要广泛预处理的物种（H.dujardini和P.richtersi）中，许多TDP在干燥时上调，而在需要相对较少预处理（tardigradum）的tardigrade中，这些基因不响应干燥，但是以高水平组成型表达。

干燥容差要求特定于Tardigrade的IDPs
为了测试TDP是否需要tardigrades生存干燥，我们执行RNAi（Tenlen等，2013）以破坏特定基因的功能。我们靶向高诱导（CAHS和SAHS）和组成型活性（SAHS）TDP，并测试杜氏利什曼病在控制（水合）和干燥条件下存活的能力。对于所有治疗，在水合条件下，存活没有显着降低（图4A）。然而，与对照处理，GFP RNAi相比，靶向四个高度诱导（13至22倍）CAHS基因中的两个显着（p <0.01）减少干燥后的存活率（图 4B ）。此外，与GFP RNAi对照相比，诱导（5倍）SAHS基因的RNAi靶向导致干燥后存活的显着（p <0.01）减少（图 4B ）。这些结果表明，在干燥tardigrades表示高水平的一些TDPs也是tardigrades生存干燥的必要条件。

已经提出，tardigrades可以首先演变干燥和获得耐受其他应力（交叉耐受）作为干燥耐受的副产品的能力（Jönsson，2003）。已经研究了其他系统中的交叉耐受性，但是尽管在多种生物体中进行了多次研究，但仍没有共识（Levis等人，2012，Tammariello等人，1999）。这使得从其他生物到tardigrades的结论很难。如果tardigrades确实具有交叉耐受，人们会预期不同形式的压力会诱导基因表达的类似变化（Sinclair等，2013）。为了测试这个想法，我们测序逐渐冷冻H.杜鹃花标本的转录组，并将冻结诱导的基因表达的变化与干燥诱导。在这些胁迫条件下表达的变化是不同的，在胁迫条件（冷冻或干燥）中的基因表达比对照条件（水合）更类似于其他胁迫条件（图5A）。此外，17个CAHS转录物中只有2个在冷冻期间富集（相对于在干燥条件下17个中的11个），并且这些基因以相对低的水平表达并且经历表达的小变化（图 5B ）。在杜氏利什曼病冷冻期间没有SAHS或MAHS转录物富集（图5B）。有趣的是，相对于双链GFP RNAi对照，我们的CAHS或SAHS RNAi处理中没有一个显着降低冷冻tardigrades的存活（图 5C）。我们的RNAi结果，加上观察到的冷冻和干燥转录组之间的差异表明不同的压力机械链接比以前怀疑。

Tardigrade特异性IDPs增加异源系统和体外的干燥耐受性
研究隐球菌生物体的许多项目的长期目标是鉴定可保护或稳定敏感生物材料的蛋白质和分子。以前的研究已经确定干燥相关的IDPs，例如LEA蛋白，作为体内和体外系统中的足够的保护剂（Dang等人，2014，Goyal等人，2005）。为了测试TDP是否可能是良好的保护剂，我们通过定量酵母和工程改造成外源表达CAHS蛋白的细菌的干燥耐受性（存活百分比）来评估其增加其他系统的干燥耐受性的能力（图6）。在发现异源表达的基因减缓生长的情况下，这些基因从我们的分析中排除，因为减缓的生长与增加的干燥耐受性相关。几种CAHS蛋白足以将酵母的干燥耐受性增加近100倍（图6A）。在细菌中获得相似的结果，一些CAHS蛋白的外源表达导致干燥耐受性增加超过2个数量级（图 6B ）。重要的是，α-突触核蛋白，一种在细胞中作为无序单体存在的蛋白质（Fauvet等人，2012，Theillet等人，2016），并且与应激耐受性没有已知的联系（Drescher等人，2012，Theillet等人。，2014），没有增加干燥条件下的生存（图 6B），表明超出TDP内在紊乱的东西对于它们的保护能力是必需的。

类似地，我们测试了纯化的CAHS蛋白保持经受干燥和再水合的乳酸脱氢酶（LDH）的活性的能力。当自身干燥和再水化时，LDH的活性降低至<1％（图 6C ）。然而，当在干燥之前与CAHS蛋白质混合时，LDH活性作为增加的CAHS蛋白质浓度的函数被保留（图 6C ）。重要的是，我们的实验显示，在足够浓度下，CAHS蛋白（图 6C ）保持100％的LDH活性，并且这样做比海藻糖和BSA（美国食品和药物管理局批准的赋形剂人血清白蛋白）。

干燥后的玻璃化温度（Tardigrade CAHS Proteins Vitrify upon Desiccation）
在使用海藻糖生存干燥的生物体中，有关于保护机制的两种竞争但不是相互排斥的假设（Crowe，2002，Crowe等人，1987，Crowe等人，1988，Green and Angell，Levine和Slade，1992，Sakurai et al。，2008）。玻璃化假说表明海藻糖在细胞内形成玻璃状基质，物理上防止蛋白质变性，蛋白质聚集和膜融合。水替代假说认为水和细胞组分之间的氢键被细胞干燥时的海藻糖替代，这也将防止蛋白质变性，聚集和膜融合。已经表明类似海藻糖，高亲水性分子（例如IDP）可以在任一种或两种机制中起作用（Sakurai等人，2008）。已知Tardigrades在干燥时玻璃化（Hengherr等人，2009）（图7A），并且在tardigrades中海藻糖的缺乏或至少低水平表明其他分子可能负责这种玻璃化状态。

TDPs是tardigrades中玻璃化和水替代的介质的主要候选物，因为它们是高度亲水的，丰富表达的和必需的以及足够的干燥耐受性。因此，我们测试CAHS蛋白质使用差示扫描量热法玻璃化的能力，并发现当干燥时，CAHS蛋白质在体外玻璃化并且当在酵母中异源表达时（图 7B，7C和S2）。应当注意，干燥杜氏利什曼原虫标本，表达tardigrade IDP的酵母和纯化的IDP 的玻璃化转变温度显着不同。这是可以预期的，因为材料的玻璃化转变温度受共溶质和湿度的影响（Kasapis等人，2003，Sakurai等人，2008），并且合理地假设tardigrade细胞的含量不同与那些在酵母中并因此将不同地影响玻璃化材料的生物物理性质。我们的数据显示，CAHS蛋白质，如海藻糖，干燥时玻璃化，并表明tardigrades可能依赖于这些高丰度蛋白质的玻璃化，大致与其他干燥耐受生物体依赖海藻糖相同。

材料的玻璃状态可以通过将其加热到超过其玻璃化转变温度（类似于加热结晶固体超过其熔融温度）来破坏，玻璃化固体转变为橡胶状态的温度。干燥tardigrades的玻璃化状态与其生存力相关（Hengherr等人，2009），我们证实了杜氏藻（图7D）。为了具体测试CAHS蛋白的玻璃化状态是否反映其保护能力，我们加热干燥的表达CAHS蛋白的酵母，低于，高于和高于其玻璃化转变温度。我们观察到具有CAHS蛋白的干酵母耐受比野生型酵母高约10℃（图 7E）。此外，表达CAHS的酵母的存活在低于其CAHS诱导的玻璃化转变温度的温度下基本上不受影响，而在玻璃化转变范围内的温度下存活率急剧下降，并且没有酵母存活超过玻璃化转变范围的温度（图 7E）。因此，与海藻糖一样，tardigrade CAHS蛋白的保护能力反映了它们的玻璃化转变温度，其中标本显示强壮的存活，但不超过玻璃化被破坏的点。
总之，我们已经证明tardigrades响应于干燥和/或组成型表达高水平的TDP表达许多TDP。干燥过程中TDP富集的水平反映了不同的Tardigrade物种对预处理（缓慢干燥）生存干燥的需求，其中需要较少预处理的物质以组成性高水平表达TDP。我们发现几个TDPs贡献功能上H.杜亚迪尼的强大生存干燥的能力。此外，这项研究表明，在tardigrades，由不同的压力条件诱导的基因表达的变化比怀疑更不同。我们的研究表明CAHS蛋白质在原核和真核细胞中的外源表达足以增加这些系统中的干燥耐受性。据我们所知，TDP代表待鉴定的tardigrade干燥耐受性的第一功能介质。我们的研究结果提供了证据，蛋白质，特别是IDPs可以通过玻璃化保护生物材料。海藻糖和CAHS蛋白似乎通过相同的机制发挥作用的事实证明了会聚进化的优雅和通过非常不同的手段（糖与蛋白质介体）达到相似生物机制的能力。我们推测，玻璃化保护干燥敏感大分子通过将它们捕获在无定形基质的孔内，防止其变性，聚集，融合和碎裂。我们的机械和功能数据，加上以前的观察和推测，变性球状蛋白和IDP玻璃化干燥（Hoseney等人，1986年，Sochava和Smirnova，1993年），暗示通过玻璃化蛋白质的脱水耐受现象可能是比普遍赞赏。更广泛地，我们的研究突出无序蛋白在介导应激耐受性的多样性和功能作用。我们预计，这项工作将成为追求干旱耐受性领域的长期目标的基础，包括抗旱作物的工程和干燥状态下敏感药物和细胞的稳定。

作者贡献
概念化（Lead）TCB（支持）BG，GJP; 调查，TCB，HT，AHB，SP，AES，IG; 资源，IG，LR，HT，DK; 写作 - 原稿，TCB，SP，GJP; 写作 - 审查和编辑，TCB，HT，AHB，SP，AES，IG，LR，GJP，DK，BG，监督，TCB，LR，DK，BG，GJP

致谢
这项工作由NASA（NNX15AB44G到TCB）和国家科学基金会（MCB 1410854和CHE 1607359到GJP，IOS 1557432和1257320到BG）支持。LR和IG得到了摩德纳大学和雷焦艾米利亚大学青年研究员国际流动性和2015年的La Ricerca基金会的支持。我们承认Harold和Leila Y. Mathers慈善基金会支持HT和生命科学研究基金会的Simons基金会支持TCB

补充信息
文件S1。图S1和S2和猝发CAHS，MAHS和SAHS蛋白质中的紊乱的生物信息预测，与图2相关
CAHS，MAHS和SAHS蛋白序列用作IUPRED无序蛋白预测服务器（http://iupred.enzim.hu/）（Dosztányi等人，2005）的输入。
数据S1。差分表达分析统计，与图1和图3相关
（标签1）H.djardini湿对干转录组，（标签2）P.richtersi湿转录组与干转录组，（标签3）M.tardigradum湿转录组与干转录组的边缘差异表达分析输出，和（标签4）湿与冷冻转录组。列表示Trinity转录物ID（列A），计算的log 2倍数变化（列B），log 2计数/百万读数（列C），p值差异表达（D列）和假发现率（列E）。对于每个差异表达实验，将湿读数计数与应激条件读数计数进行比较。因此，列C中的正值表明在对照（湿）条件下转录物富集。B列中的负值表明转录物在胁迫下富集。
数据S2。这些实验中使用的基因和蛋白质的序列，与图4,5和6相关
本手册中使用的DNA和蛋白质序列列表。
收稿日期： 2016年7月26日; 收到修订形式： 2016年12月14日; 接受： 2017年2月16日; 发布时间：2017年3月16日
©2017 Elsevier Inc.



水熊

现代化研

《分子细胞》:玻璃盾保护水熊免遭脱水 蛋白2

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(Tardigrades Use Intrinsically Disordered Proteins to Survive Desiccation  软件译
Tardigrades使用本质上无序的蛋白来生存干燥
Thomas C. Boothby 6 ，作者简介Thomas C. Boothby 电子邮件作者Thomas C. Boothby''， Hugo Tapia， 亚历山德拉H.布罗泽纳， 萨曼莎Piszkiewicz， 奥斯汀·史密斯， Ilaria Giovannini， Lorena Rebecchi， Gary J. Pielak， Doug Koshland， 鲍勃·戈德斯坦
6 引线触点
DOI：http : //dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2017.02.018 |
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Tardigrades上调的基因编码特定于Tardigrade的IDPs，因为他们干

（A）Hypsibius dujardini（红色），Paramacrobiotus richtersi（绿色）和枸杞（黑色）的生存与相对湿度的已公布数据。来自Wright（1989）中表1的数据）。在较低相对湿度下干燥的动物与在较高相对湿度下干燥的动物相比经历增加的干燥速率。

（B）在缓慢干燥（95％相对湿度），快速干燥（70％RH），缓慢，然后快速干燥之后，杜鹃花的存活。t检验：NS，不显着; ** p <0.001。

（C）显示在水合和干燥条件下表达的杜氏利什曼原虫基因的富集（log 2倍变化）对丰度（log 2 CPM [每一百万读数的计数]）的MA 图。彩色圆圈表示编码tardigrade特异性IDP的CAHS（红色），SAHS（蓝色）和MAHS（绿色）基因。

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强调
•Tardigrade本征无序蛋白（TDP）在干燥期间富集
•TDP需要tardigrades生存干燥
•TDP的表达增加异源系统中的干燥耐受性
•TDPs玻璃化，并且这种玻璃化状态反映了它们的保护能力
概要
Tardigrades是微观动物，能够承受一系列显着的应激，包括干燥。tardigrades如何生存干燥仍然是一个谜250年以上。海藻糖是几种生物体在干燥中存活所必需的二糖，在低水平或在一些tardigrade物种中检测不到，表明tardigrades具有潜在的用于存活干燥的新机制。在这里我们显示tardigrade特定固有无序蛋白（TDP）是干燥耐受必不可少的。TDP基因以高水平组成型表达或在多种tardigrade物种的干燥期间诱导。TDP是变性干燥耐受性所需的，并且当在异源系统中表达时，这些基因足以增加干燥耐受性。TDP在干燥时形成非结晶无定形固体（玻璃化），并且这种玻璃化状态反映了它们的保护能力。我们的研究确定TDPs作为tardigrade干燥耐受的功能性介质，扩展我们对涉及应激耐受的无序蛋白质的作用和多样性的知识。

介绍
Tardigrades（水熊）包括微生物动物门，它们能够在大量环境极端条件下生存，包括基本上完全脱水达十年（Goldstein和Blaxter，2002）。虽然他们已经吸引科学家超过250年，很少知道如何tardigrades生存这样极端的环境压力，没有tardigrade干燥耐受的分子介质已经实验证实。已经提出了二糖海藻糖并且经常被假定在介导tardigrades中的干燥耐受性中起作用（Hengherr等人，2008，Jönsson和Persson，2010，Westh和Ramløv，1991）。海藻糖对于一些生物体存活干燥是必需的，并且被认为通过玻璃化它们的细胞内容物来保护生物体（Erkut等人，2011，Sakurai等人，2008，Tapia和Koshland，2014）。然而，一些干燥耐受性动物不需要或甚至看起来不能制造这种糖（Lapinski和Tunnacliffe，2003）。目前，海藻糖在tardigrades的使用和存在是不清楚的; 一些研究报告了这种糖的低水平，而其他研究没有在同一物种中鉴定海藻糖（Guidetti等人，2011，Hengherr等人，2008，Jönsson和Persson，2010，Westh和Ramløv，1991）。

除了海藻糖和其他糖，许多蛋白质家族和类别已经涉及介导其他系统中的干燥耐受性，包括热休克蛋白，抗氧化酶和一些本征无序蛋白（IDP）家族（Hincha和Thalhammer，2012，Hoekstra等人，2001）。后一类蛋白是神经的，因为与典型的球状蛋白不同，它们缺乏持久的三级结构。在过去二十年中，出现了IDP的无数细胞角色，包括在转录，翻译后修饰，发育，细胞组织和非生物胁迫耐受中的作用（Chakrabortee等，2012，Garay-Arroyo等，Hincha和Thalhammer，2012，Iakoucheva et al。，2004，Nott et al。，2015，Xie et al。，2007，Zhang et al。，2015）。然而，IDP在tardigrade干燥耐受性中的作用仍然未经测试。

虽然在tardigrades中没有鉴定到干燥耐受性的分子介质，但是关于这些动物如何生存干燥的一条线索来自观察（图 1A），不同的tardigrade物种以不同速率存活干燥，但是所有测试的物种如果干燥太快（Wright，1989）。这个趋势表明tardigrades需要时间来生产保护剂，这是一个理论支持的最新证据表明，从头转录和翻译是必要的tardigrade Hypsibius杜鹃花坚实生存的干燥（Kondo等，2015）。

在这里我们提出的证据tardigrades上调的基因编码tardigrade特异性IDP响应干燥的表达。使用RNAi破坏几种TDP的基因功能导致严重降低的干燥耐受性。此外，TDP在原核和真核细胞中的异源表达足以增加这些系统中的干燥耐受性，并且纯化的TDP在体外保护干燥敏感蛋白。像海藻糖一样，纯化和异源表达的TDPs在干燥时玻璃化，并且这种玻璃状态反映这些蛋白质的保护能力。这些研究结果确定TDPs作为功能介质的tardigrade干燥耐受和扩大我们对多样性和IDPs的作用的理解。我们预计这些发现将为实现干燥耐受性领域的长期目标奠定基础，包括耐干燥作物的工程和开发用于药物，细胞和组织的干燥保存的技术。

结果与讨论
识别Tardigrade干燥容差的可能介质
为了测试tardigrades是否产生足以防止干燥的保护剂，我们测定缓慢干燥（预处理的）tardigrades是否能够以更高的，通常不存活的速率在随后的干燥中存活。的缓步动物标本H. dujardini已被干燥慢慢随后可以生存更快速干燥（图1 B）中，这表明足以防护剂（多个）缓慢干燥过程中进行。这一发现，除了杜鹃花需要从头转录和翻译强健生存干燥的事实（Kondo等人，2015），使H.杜亚迪有吸引力的差异基因表达研究。

为了鉴定干燥耐受的潜在介质，通过干燥诱导的基因，以无偏向的方式，我们测序并对水合和缓慢干燥杜氏利什曼原虫标本的转录组进行差异基因表达分析，一式三份（数据S1）。与以前的报告一致（Mali等人，2010），我们的转录组以及多个独立的杜氏衣藻基因组和转录组装体（Bemm等人，2016，Boothby等人，2015，Koutsovoulos等人，Levin等人，2016）不包含海藻糖磷酸酶的同系物，即产生海藻糖所需的酶，尽管这些组装体的表观完整性（图S1）。海藻糖在tardigrades不一致的报告，加上缺乏证据的海藻糖生物合成途径从测序资源，表明杜鹃花使用潜在的新分子保护免受干燥的有害影响（Hengherr等人，2008年，Jönsson和Persson ，2010，Westh和Ramløv，1991）。

我们的基因差异表达分析表明，17 11胞浆丰富的水溶性热（CAHS）蛋白的转录表达由H. dujardini（图1 C）相对于水合条件（截止干燥过程中丰富了4至22倍：P≤0.05假发现率≤0.05）。杜鹃花表达19种分泌的丰富的热溶性（SAHS）蛋白质转录物，并且尽管在干燥期间仅有两种（图 1C）富集2-至5倍，但是几种SAHS转录物以极高水平组成型表达。例如，一种SAHS转录物是检测到的第六丰富的转录物（图 1C）。H. dujardini表达两种线粒体丰富的热可溶性（MAHS）蛋白质转录物，其在水合和干燥条件之间没有特别丰富或差异表达（图 1C）。

这些基因家族，CAHS，SAHS和MAHS，先前在tardigrades的蛋白质组学分析中确定（Tanaka等人，2015，Yamaguchi等人，2012）。在热溶解实验和圆二色性分光偏振法的基础上，所有三个家庭被认为编码IDPs（Tanaka等人，2015，Yamaguchi等人，2012）。以前的生物信息学研究表明并不是所有的无序蛋白家族的成员都是天然解折叠的（Hundertmark和Hincha，2008）。因此，我们采取生物信息学方法来表征tardigrade IDP家族成员的广泛性紊乱。这些预测强烈支持以前的证据，CAHS和MAHS蛋白质大部分无序，而通过这种方法SAHS蛋白质出现较少无序（补充信息）。IDPs缺乏持续的二级结构（Theillet et al。，2014，Yamaguchi et al。，2012），我们使用核磁共振波谱法（NMR）证实了CAHS蛋白。为此，我们根据蛋白质的异核单量子相干（HQSC）光谱绘制了每个主链酰胺氮及其连接的质子之间的共价键的化学环境。在该实验中，每个键在每个非脯氨酸残基的两个核的化学位移坐标处产生称为交叉峰的特征。对于结构化蛋白如泛素，交叉峰出现在质子维度的〜7.5至〜10ppm的范围内（图2，上）。对于α-突触核蛋白，已知的无序蛋白，以及对于CAHS蛋白，交叉峰出现在从约8.0至约8.6ppm 的较窄窗口（图2，顶部），其与在中心残基中的酰胺质子的范围一致非结构化三肽（Schwarzinger等，2000）。为了进一步测试我们的结论，这些蛋白质是无序的，我们评估骨架质子 - 氘交换。在三肽中的酰胺质子与来自D 2 O的氘核在几秒钟内交换（Bai等人，1993），但在稳定的球状蛋白质内部被保护数天至数周（Englander和Kallenbach，1983）。在获得HSQC光谱（图2）后，我们从每个样品中取出两个等分试样。一个等分试样用H 2 O稀释10倍，另一个用D 2 O 稀释10倍。对于测试的无序蛋白（α-共核蛋白和CAHS蛋白），几乎所有的酰胺质子在20分钟内交换为氘核min，如一维质子光谱强度的降低所示（图2）。相比之下，结构化蛋白泛素在20分钟内观察到很少的交换（图2）。这些数据，结合热溶解性，圆二色性和生物信息学方法，表明许多（如果不是全部）tardigrade CAHS，以及可能的MAHS和SAHS蛋白质是无序的。我们将特定梯度的IDP的这些家族（CAHS，SAHS，MAHS）称为TDP，以将它们与其他IDP区分开，因为在序列水平上，在门tardigrade外没有发现TDP的同系物（Tanaka等，2015，Yamaguchi等，2012）。