裸鼴鼠在缺氧環境下生存的秘密 | 前沿

論文通訊作者、德國MDC的Gary Lewin教授希望揭示裸鼴鼠的代謝秘密。Credit:Roland Gockel/MDC

撰文 | 李家勁 (加州大學洛杉磯分校博士研究生、《知識分子》特約撰稿人)

責編 | 陳曉雪

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嘴上兩顆利劍般的獠牙,加上形如臘腸的身軀,裸鼴鼠(naked mole-rat,學名Heterocephalus glaber) 被稱為世界上最丑的動物之一。它們常年生活在不透氣的地道里,那裡空氣中二氧化碳含量高達10%,而氧氣含量通常只有6%。如果一個人處於這樣的空間里,短時間內就會受到不可逆的器官損傷。然而,裸鼴鼠即使時常擁擠在一起,也能悠然自得。神奇的是,就算空氣中完全不含有氧氣,它們也能夠存活18分鐘,而當再次呼吸到氧氣的時候,又可以馬上恢復過來,且完全沒有生理性損傷,就像沒事發生過一樣。

Thomas Park實驗室研究的裸鼴鼠。Credit:Thomas Park/UIC

裸鼴鼠如何存活於缺氧環境一直是個謎,理解其生理機制將對缺氧症治療產生重大意義。最近,由德國馬克斯·德爾布呂克分子醫學中心(Max Delbrück Center for Molecular Medicine,MDC)、美國伊利諾伊大學芝加哥分校(University of Illinois at Chicago,UIC)和南非皮勒陀利亞大學(University of Pretoria,UP)組成的國際團隊發現,裸鼴鼠處於缺氧環境下,能夠通過代謝果糖,而非葡萄糖,來獲取能量,這為裸鼴鼠能夠承受極端的缺氧環境提供了解釋。這一結果發表在2017年4月21日上線的Science

裸鼴鼠身體中代謝物濃度的變化為研究人員提供了線索。「在缺氧條件下,裸鼴鼠和一般老鼠消耗葡萄糖的情況沒有區別,但我們驚訝地發現,裸鼴鼠血液中檢出高濃度的果糖和蔗糖。這很不尋常,因為一般認為這兩種糖會導致代謝疾病,而且蔗糖只能來源於植物。」文章的共同第一作者,MDC的Jane Reznick說。

這意味著,果糖可能是裸鼴鼠的生存法寶。但果糖要參與細胞代謝,需要解決兩個問題。第一是酶解,果糖需要己酮糖激酶(KHK)將其轉化為果糖-1-磷酸,才能進入能量代謝途徑;第二是運輸,果糖需要轉運蛋白GLUT5將其從血液帶到細胞中。通常,哺乳類動物只有特定的器官含有這兩種分子,例如腎臟。但裸鼴鼠在缺氧條件下,幾乎全身所有組織都能明顯檢測出KHK和GLUT5,特別是心臟和腦組織。缺氧條件下,心臟和腦組織能量供應嚴重不足,這是哺乳動物的主要致死原因,而它們心臟和腦組織缺少KHK和GLUT5。

科學家推測,在缺氧環境中,裸鼴鼠的心腦組織能夠改為消耗果糖,而不是葡萄糖來提供能量。為了驗證這個假設,研究人員只為裸鼴鼠和普通老鼠提供果糖作為唯一能量來源,並且持續監測它們的心腦活動。科學家發現裸鼴鼠心臟機能一直保持穩定,而普通老鼠心臟機能衰減了不少。甚至在果糖供應一個小時以後,裸鼴鼠的腦神經系統還能有原來33%的水平,而普通老鼠的大腦神經突觸已不能傳遞信號。

「裸鼴鼠只是簡單地重組了代謝中的基本組成部分,就使它能夠承受極端缺氧的環境。」該文章的另一共同第一作者,UIC的Thomas Park教授在該校新聞中心的一則報道中說。的確,正常的葡萄糖代謝途徑中,第一步就是葡萄糖通過果糖磷酸酶(PFK)轉化成葡糖糖-6-磷酸。這個過程很慢,受到多種抑制。而果糖通過KHK的代謝過程就可以繞開PFK,從而持續不斷地產生能量。

「如果我們能夠知道如何增強果糖代謝,並且用它來代替葡萄糖代謝系統,我們就可以讓細胞(在缺氧條件下)保持活力。」文章的作者之一、UIC的研究人員Brigitte Browe介紹了該發現在心臟病和缺氧症的應用前景。

「我們第一次發現了哺乳類動物可以轉而利用果糖作為能量來源。」論文通訊作者、MDC的Gary Lewin教授總結道。這無疑是裸鼴鼠長年不斷進化,以適應擁擠狹窄的地道生活的結果。但是,沒有人知道,缺氧條件下,裸鼴鼠體內突然增加的果糖和蔗糖究竟來源何處。另外,科學家發現,從葡萄糖代謝轉換成果糖代謝一般伴隨著癌症、心臟疾病和代謝疾病等生理問題,而裸鼴鼠卻能夠毫髮無傷地完成轉換。並且,值得一提的是,裸鼴鼠從不患癌症。因此,本研究在破解一個謎題的同時,又為我們留下了更多的謎題。

參考資料:

1. Thomas J. Park, Jane Reznick et al. (2017): 「Fructose driven glycolysis supports anoxia resistance in the naked mole-rat." Science. science.sciencemag.org/

2. news.uic.edu/naked-mole

製版編輯:李 赫丨

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