堅不可摧的小生物 水熊蟲

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水熊蟲 (water bears) 是隸屬緩步動物門 (tardigrades) 的一類微型水生動物,體長通常小於 1 公釐,擁有四對足,足末帶有爪子或吸盤。目前已知有超過 1,000 種的水熊蟲分布在不同的棲息地,包括海洋、淡水、或是陸地。

水熊蟲能抵禦大部分生物都無法承受的惡劣環境,包含極端溫度 (從 –274°C~100°C)、高壓 (地面大氣壓力的 75,000 倍)、完全脫水狀態、浸沒於有機溶劑、暴露於高劑量的放射線、甚至在外太空,牠們都能存活!在 2007 年,瑞典的研究團隊與歐洲太空總署合作,將兩種不同品種的水熊蟲夾帶上衛星,測試真空且充滿太陽輻射及宇宙射線的外太空對水熊蟲的影響。這次的試驗樣本共分為三組:第一組只暴露於真空及宇宙射線;第二組 暴露於真空、宇宙射線及 UV-A、UV-B 紫外線 (UVA,B, 280–400 nm);第三組暴露於真空、宇宙射線及全光譜的紫外線 (UVALL, 116.5–400 nm)。水熊蟲於十天後重返地球,結果發現未暴露於紫外線的水熊蟲存活情形良好,不過暴露於紫外線的水熊蟲存活率就明顯降低,尤其是接受全光譜紫外線的組別;即使如此,仍有幾隻水熊蟲倖存,顯見其強韌生命力 [註1]!

冷凍三十年又復活的水熊蟲

近年來,水熊蟲的其他著名事蹟尚包括日本極地研究團隊在 2014 年時從冰凍的苔癬樣本中解凍了兩隻水熊蟲及一顆蟲卵,牠們在 1983 年從南極取得並存放於 –20°C 長達 30.5 年。研究人員提供水熊蟲適當水份並將牠們移居至溫暖且營養豐沛的培養皿,結果水熊蟲竟然復甦了! 其中一隻水熊蟲在第一天即能開始輕微移動四對足,在兩週後已完全恢復運動能力,可爬行、進食甚至產卵 (產下 19 顆卵,其中 14 顆成功孵化);不過另一隻水熊蟲在解凍 20 天後死亡。此外,解凍的水熊蟲卵竟也順利孵化出水熊蟲,這隻水熊蟲更沒有明顯異常,甚至具有生育能力 [註 2]。

果然是種難以捉摸的生物

儘管水熊蟲這非比尋常的適應力早已讓學界為之瘋狂,但是背後的分子機制遲遲無法解開,而水熊蟲的基因體也一直存有爭議。在 2015 年,美國北卡羅來納大學的研究團隊首度發表水熊蟲的全基因體定序結果,認為水熊蟲的 DNA 有高達 17.5% 是經水平基因轉移 (horizontal gene transfer, HGT) 而從其他物種身上獲得。研究團隊因此推測水熊蟲之所以能承受極端環境壓力的原因,可能是因為具有容易取得其他物種優勢基因的能力 [註 3]。不過這項假說隨後遭到蘇格蘭愛丁堡大學的研究團隊反駁,他們認為北卡羅來納大學提出水熊蟲有大量外來基因的論點有誤,事實上那些基因是源於細菌或其他汙染在定序前未被移除,因而產生的人為錯誤 [註 4]。最近日本東京大學的研究團隊也發現水熊蟲的外來基因比例僅約 1.2% [註 5],為愛丁堡大學的論述提供佐證。

揭開水熊蟲的超能力基因

東京大學的研究團隊利用水熊蟲家族中最頑強的品種 — Ramazzottius variornatus,進行基因定序分析。結果發現水熊蟲的抗壓相關基因比其它多細胞動物種類更為豐富,而且拷貝數 (copy number) 較多。研究人員更在水熊蟲身上找到 16 種 不同的超氧化物歧化酶 (superoxide dismutases, SODs),且發現水熊蟲帶有4個拷貝數的 MRE11 (大部分的多細胞動物身上僅能找到 10 種以下的 SODs,且只有 1 個MRE11) [註 5]。SODs 為重要的抗氧化酵素系統,是超氧自由基的解毒酶,能保護細胞免於氧化的傷害,且有助於耐受乾燥脫水的環境 [註 6];而 MRE11 則對 DNA 雙股螺旋斷裂的修復佔有重要角色 [註 7]。研究團隊亦發現水熊蟲在脫水及復水的過程之間不會有很大的基因表現差異,因此推測具保護性的蛋白質可能會持續表現。研究人員也注意到水熊蟲會大量表現其他動物缺乏的一些獨特蛋白質,包括CAHS和SAHS[註5] 耐熱性蛋白,在乾燥缺水的環境可扮演重要保護效果 [註 8, 9]。此外,本次東京大學的研究最引人矚目的焦點,是水熊蟲的一種獨特蛋白質 Damage suppressor (Dsup);Dsup 可以結合並保護 DNA 免於 X 光的輻射傷害。研究團隊進一步將這個蛋白質的基因轉殖到人類的腎臟細胞,並對其照射 X 光,結果帶有 Dsup 的腎臟細胞之 DNA 損害竟然較一般細胞少約 40%,且在接受輻射後有較佳的存活率 [註 5]。

水熊蟲的無限潛力

隨著水熊蟲對抗極端環境的相關基因陸續被發現,若能將這些獨特基因轉殖到動、植物身上,想必會大大改變現今的農業與畜牧發展。目前美國有許多民間公司積極發展火星殖民計畫,而若能成功利用水熊蟲的基因提升動、植物對於乾燥脫水環境的耐受力,或許有助於未來人類移民火星的生活。 水熊蟲可愛的外表、尚未闡明的基因體、以及奇蹟似的抗性,確實有機會為人類社會帶來顛覆性的改變,後續研究成果也令人拭目以待!

參考文獻:
1. Jönsson KI et al. Curr Biol 2008; 18:R729-R731.
2. Tsujimoto M et al. Cryobiology 2016; 72:78-81.
3. Boothby TC et al. Proc Natl Acad Sci U S A 2015; 112:15976-81.
4. Koutsovoulos G et al. Proc Natl Acad Sci U S A 2016; 113:5053-8.
5. Hashimoto T et al. Nat Commun 2016; 7:12808.
6. França MB et al. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol 2007; 146:621-31.
7. Lamarche BJ et al. FEBS Lett 2010; 584:3682-95.
8. Yamaguchi A et al. PLoS One 2012; 7:e44209.
9. Tanaka S et al. PLoS One 2015; 10:e0118272.

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