真緩行動物－小水熊細胞內特有的類骨架蛋白－CAHSP 蛋白

作者：劉英明（國立中興大學 生命科學系 教授兼系主任​）

緩行動物 ( Tardigrade ) -小水熊 ( tiny water bears ) 抗逆境生存的能力讓許多科學家都感到非常不可思議，也因此投入了許多的精力去探討背後的奧秘，甚至也將它們帶到太空去研究探討它們在輻射照射、低溫、真空、缺氧、及缺水等逆環境下，水熊蟲如何進行生理性的「無水共生 ( anhydrobiosis )」，停止身體細胞內的新成代謝，自處於「無新成代謝狀態 ( ametabolic state )」下隱生( cryptobiosis )，並且如何利用特殊的保護機制來維持細胞結構蛋白與細胞膜的完整性。

科學家利用基因定序解碼小水熊的基因組並比較其他物種，包括：線蟲 ( nematodes )、與節肢動物 ( arthropods ) 的基因組。結果發現：小水熊利用獨特的「平行基因轉移 ( horizontal gene transfer ) 」的方式，從外來物種獲得「抗逆境基因」增加自體基因的演化，加速小水熊體內細胞大量表達與「無水共生」相關的抗逆境基因；因此，在乾燥的環境中，細胞大量表現抗逆境蛋白並進行物化反應以及相態變化，經由形成「玻璃基質化 ( vitrification )」 來替換細胞內的所有液體，也因此表現「無水共生」的能力；在有水環境之後，水會重新充填細胞內並溶解蛋白質，因而可逆性恢復正常有水的生存方式。
在抗逆境的過程中，被發現的蛋白，大多屬於缺少蛋白 3 級結構的「內生性非結構蛋白 ( Intrinsically disordered proteins )」；包括：胚胎晚期豐富蛋白 ( late embryogenesis abundant protein ) 以及水熊非結構專屬蛋白 ( tardigrade disordered proteins )。

圖A，小水熊 ( Ramazzottius varieornatus )在正常的環境下身體大約400微米 (um)左右

圖B，小水熊在極端環境下身體縮小成大約只有100微米 (um)左右的尺寸，稱作「桶 (tun）」。

（摘入 Scientific Reports (2020):10:94. open access 圖片。）

水熊非結構專屬蛋白有三個家族，包括：細胞質型 ( cytoplasmic, CAHS )、分泌型 ( secreted, SAHS )、與粒線體型 ( mitochondrial,MAHS )等三型豐富熱溶蛋白 ( abundant heat soluble proteins, AHS )。
最近的研究報告也發現在屬於真緩步動物綱 ( Eutardigrada) −小水熊 ( Ramazzottius varieornatus ) 的細胞內表現「細胞質型豐富熱溶蛋白 ( CAHS )」與抗逆境下，可經由相態分離與產生凝聚蛋白 ( condensates ) 的作用機轉，表現無水共生的能力。

首先，作者建立脫水逆境的細胞模式，證明小水熊體內細胞 CAHS 蛋白在脫水逆境下會進行聚合反應 ( polymerization ) 形成類細胞骨架 ( cytoskeleton-like ) 的構造。
這些類細胞骨架蛋白在體外測試 (in vitro) 也被證明可以進行可逆性凝膠轉換 ( gel-transition )。

另外，CAHS 蛋白可經由高滲透壓力的刺激來增加細胞硬度並抵消高滲透壓引起細胞脫水的反應，甚至可以提升細胞阻抗高滲透壓力存活的能力。

最後，作者也發現 CAHS 蛋白分子 C-端區域是蛋白聚合形成絲狀結構 ( filamentous structures ) 主要的分子區域。這些實驗數據，清楚地證明 CAHS 蛋白是小水熊細胞內新型的類細胞骨架蛋白；在抗逆境壓力下，可以可逆形成絲狀蛋白網絡並進行凝膠轉換。

這些作用機轉，提供小水熊細胞在抗逆境脫水變形的需求下，CAHS 蛋白可逆性聚合-去聚合反應，經由類似細胞骨架重組的方式產生物理性穩定細胞完整結構的能力。小水熊抗逆境生存，細胞大量表達 CAHS 蛋白進行「無水共生」的保護機制，或許可以應用在研發「如何經由類細胞骨架蛋白重組與凝膠轉換的方式來增加細胞抗脫水」的新技術。

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