你以為冬眠就是像只可愛的小松鼠一樣，簡簡單單地睡上幾個月？
冬眠的哺乳動物能在溫度小于10℃的環(huán)境中不受傷害地存活，堪稱細胞維持的非凡壯舉，具有寶貴的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值。然而，冬眠動物耐寒的機制，例如如何保持細胞骨架的穩(wěn)定性，依然是一個迷。
最近，在國際期刊Cell上刊登了一篇題為“iPSCs from a Hibernator Provide a Platform for Studying Cold Adaptation and Its Potential Medical Applications”，美國國立衛(wèi)生研究院眼科研究所的李偉研究團隊，以一種典型的冬眠動物，十三條紋地松鼠（13-lined ground squirrels，下文均用GS表示）為研究對象，發(fā)現(xiàn)了對冬眠動物耐寒至關(guān)重要的細胞途徑。研究小組發(fā)現(xiàn)，從松鼠的誘導(dǎo)多能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）分化出來的神經(jīng)元細胞具有內(nèi)在的耐寒性。在將人類和松鼠的iPSC分化出來的神經(jīng)元細胞進行表達譜和功能比較分析之后，研究者驚喜地發(fā)現(xiàn)，人類和松鼠對冷的反應(yīng)差異主要體現(xiàn)在線粒體和溶酶體中。這項研究給非冬眠動物提高耐冷性的藥物提供了靶點。
為了弄清楚地鼠究竟怎么耐寒的，研究小組首先利用3種神經(jīng)特異性的微管蛋白（下圖綠色表示多聚谷氨酸化微管蛋白polyglutamylated tubulin，poly-E-T；紅色表示β微管蛋白Ⅲ型b-tubulin isotype-III，TUBB3；藍色表示Δ2-T）的抗體，對寒冷環(huán)境中(4℃)的大鼠原代皮質(zhì)神經(jīng)元細胞（Rat cortical）、人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞（Human iPSC-neuron）、地鼠原代皮質(zhì)神經(jīng)元細胞（GS cortical）和地鼠iPSC分化的神經(jīng)元細胞（GS iPSC-neuron）進行免疫熒光染色。結(jié)果如下圖所示，差異相當(dāng)明顯：大鼠和人類的神經(jīng)元細胞中的微管蛋白在低溫下會碎片化甚至完全消失，但是地鼠的神經(jīng)元細胞中的微管蛋白在即便在長時間的低溫下也能保持穩(wěn)定，沒有一絲的異常。（不知道你們服不服地鼠，反正小編是覺得很服的）。還有一點需要強調(diào)，地鼠iPSC分化的神經(jīng)元細胞也具有很強的耐寒能力，這說明地鼠iPSC分化的神經(jīng)元細胞繼承了地鼠原代皮質(zhì)神經(jīng)元細胞內(nèi)在的耐寒能力。
為了搞清楚地鼠的神經(jīng)元細胞中的微管蛋白在低溫下保持完整的機制，研究團隊首先幾種微管蛋白的表達量進行了檢測。結(jié)果自然是在意料之中，在低溫環(huán)境下，地鼠iPSC分化的神經(jīng)元細胞中的幾種微管蛋白表達量沒有變化，而人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞中的幾種微管蛋白表達量下降非常明顯。隨后研究團隊又對地鼠和人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞進行了RNA表達譜的比較分析，試圖去系統(tǒng)地研究寒冷誘導(dǎo)的微管蛋白降解的潛在機制。差異表達基因的聚類分析的結(jié)果顯示，當(dāng)處于寒冷環(huán)境中時，線粒體功能相關(guān)的基因以及熱激蛋白、蛋白酶、蛋白酶抑制劑等參與蛋白質(zhì)質(zhì)控（PQC）的基因，發(fā)生了非常顯著的變化。
為了進一步研究地鼠和人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞中的線粒體對寒冷的響應(yīng)是否不一樣，研究團隊測定了溫度變化時神經(jīng)元細胞中線粒體膜電勢的變化情況。結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從37℃降低到10℃時，人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞出現(xiàn)了超極化的線粒體膜電勢變化，而地鼠iPSC分化的神經(jīng)元細胞中的線粒體膜電勢呈現(xiàn)出退極化。雖然這些膜電勢的變化非常短暫，但是這個短暫的變化卻能引發(fā)線粒體中活性氧（ROS）含量的顯著增加。當(dāng)用微量的線粒體解偶聯(lián)劑BAM15處理寒冷脅迫下的人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞時，細胞中的線粒體膜電勢及活性氧水平能夠迅速下降到與地鼠iPSC分化的神經(jīng)元細胞相同的水平。
受損的蛋白通常會被蛋白質(zhì)控系統(tǒng)（PQC）清除，除了泛素介導(dǎo)的蛋白酶體途徑之外，溶酶體是另外一個途徑。而前面的結(jié)果提到，當(dāng)人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞暴露在寒冷中時，其細胞中的蛋白質(zhì)控系統(tǒng)（PQC）出現(xiàn)了失調(diào)，溶酶體完整性受損（如溶酶體膜通透lysosomal membrane permeability，LMP），使細胞質(zhì)酸化并釋放消化酶。為了解析地鼠和人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞中的蛋白質(zhì)控系統(tǒng)對寒冷的響應(yīng)是否不一樣，研究團隊對地鼠和人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞進行Magic Red和DND-26的染色，用以標記溶酶體小泡的離散點。結(jié)果顯示，當(dāng)人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞遭受寒冷脅迫時，溶酶體小泡會非常彌散。這正是細胞溶酶體膜通透和細胞質(zhì)酸化的典型特征。
受到生物信息學(xué)分析以及實驗結(jié)果的啟發(fā)，研究團隊試圖去決定，針對地鼠中耐寒性相關(guān)的微管蛋白調(diào)控路徑來設(shè)計靶向藥物，能否賦予非冬眠哺乳動物一定的耐寒性。前面的結(jié)果中提到，低劑量的線粒體解偶聯(lián)劑BAM15能夠起到保護人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞中微管蛋白的作用。相似的結(jié)果也顯示，在人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞瞬時超量表達線粒體解偶聯(lián)蛋白UCP1/UCP2時，也能使神經(jīng)元細胞具有一定的耐寒性。
另外，研究團隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)用蛋白酶抑制劑(protease inhibitor，PI)處理人類iPSC分化的神經(jīng)元細胞時，能減輕溶酶體膜通透引起的蛋白酶滲漏的危害。但是蛋白酶抑制劑無法緩解線粒體膜電勢的超極化和活性氧的過量產(chǎn)生。這說明溶酶體膜通透在線粒體活性調(diào)控的下游。由于BAM15和PI介導(dǎo)的調(diào)控路徑不相同（如下圖所示），因此將BAM15和PI聯(lián)合使用將起到比單獨使用更加顯著的效果。
讀完了這篇文章，小編可以預(yù)見，在不遠的將來，那些愛美如命的小姐姐們，或許可以只有吃上一粒小藥丸（很可能就是BAM15和PI的二合一藥丸），就可以達到穿上一件貂毛大衣的御寒效果了。是不是很神奇？你們是不是很期待呢？
參考文獻
Ou et al., iPSCs from a Hibernator Provide a Platform for Studying Cold Adaptation and Its Potential Medical Applications. Cell, 2018:73, 851–863.
