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你以為冬眠就是像只可愛(ài)的小松鼠一樣，簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單地睡上幾個(gè)月？
冬眠的哺乳動(dòng)物能在溫度小于10℃的環(huán)境中不受傷害地存活，堪稱(chēng)細胞維持的非凡壯舉，具有寶貴的醫學(xué)應用價(jià)值。然而，冬眠動(dòng)物耐寒的機制，例如如何保持細胞骨架的穩定性，依然是一個(gè)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(dòng)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)現了對冬眠動(dòng)物耐寒至關(guān)重要的細胞途徑。研究小組發(fā)現，從松鼠的誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）分化出來(lái)的神經(jīng)元細胞具有內在的耐寒性。在將人類(lèi)和松鼠的iPSC分化出來(lái)的神經(jīng)元細胞進(jìn)行表達譜和功能比較分析之后，研究者驚喜地發(fā)現，人類(lèi)和松鼠對冷的反應差異主要體現在線(xiàn)粒體和溶酶體中。這項研究給非冬眠動(dòng)物提高耐冷性的藥物提供了靶點(diǎn)。
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(lèi)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(jìn)行免疫熒光染色。結果如下圖所示，差異相當明顯：大鼠和人類(lèi)的神經(jīng)元細胞中的微管蛋白在低溫下會(huì )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(cháng)時(shí)間的低溫下也能保持穩定，沒(méi)有一絲的異常。（不知道你們服不服地鼠，反正小編是覺(jué)得很服的）。還有一點(diǎn)需要強調，地鼠iPSC分化的神經(jīng)元細胞也具有很強的耐寒能力，這說(shuō)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)元細胞內在的耐寒能力。
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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(jìn)行了檢測。結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(méi)有變化，而人類(lèi)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(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞進(jìn)行了RNA表達譜的比較分析，試圖去系統地研究寒冷誘導的微管蛋白降解的潛在機制。差異表達基因的聚類(lèi)分析的結果顯示，當處于寒冷環(huán)境中時(shí)，線(xiàn)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(zhù)的變化。
為了進(jìn)一步研究地鼠和人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞中的線(xiàn)粒體對寒冷的響應是否不一樣，研究團隊測定了溫度變化時(shí)神經(jīng)元細胞中線(xiàn)粒體膜電勢的變化情況。結果顯示，當溫度從37℃降低到10℃時(shí)，人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞出現了超極化的線(xiàn)粒體膜電勢變化，而地鼠iPSC分化的神經(jīng)元細胞中的線(xiàn)粒體膜電勢呈現出退極化。雖然這些膜電勢的變化非常短暫，但是這個(gè)短暫的變化卻能引發(fā)線(xiàn)粒體中活性氧（ROS）含量的顯著(zhù)增加。當用微量的線(xiàn)粒體解偶聯(lián)劑BAM15處理寒冷脅迫下的人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞時(shí)，細胞中的線(xiàn)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。
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受損的蛋白通常會(huì )被蛋白質(zhì)控系統（PQC）清除，除了泛素介導的蛋白酶體途徑之外，溶酶體是另外一個(gè)途徑。而前面的結果提到，當人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞暴露在寒冷中時(shí)，其細胞中的蛋白質(zhì)控系統（PQC）出現了失調，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(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞中的蛋白質(zhì)控系統對寒冷的響應是否不一樣，研究團隊對地鼠和人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞進(jìn)行Magic Red和DND-26的染色，用以標記溶酶體小泡的離散點(diǎn)。結果顯示，當人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞遭受寒冷脅迫時(shí)，溶酶體小泡會(huì )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(shí)驗結果的啟發(fā)，研究團隊試圖去決定，針對地鼠中耐寒性相關(guān)的微管蛋白調控路徑來(lái)設計靶向藥物，能否賦予非冬眠哺乳動(dòng)物一定的耐寒性。前面的結果中提到，低劑量的線(xiàn)粒體解偶聯(lián)劑BAM15能夠起到保護人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞中微管蛋白的作用。相似的結果也顯示，在人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞瞬時(shí)超量表達線(xiàn)粒體解偶聯(lián)蛋白UCP1/UCP2時(shí)，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)現當用蛋白酶抑制劑(protease inhibitor，PI)處理人類(lèi)iPSC分化的神經(jīng)元細胞時(shí)，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(wú)法緩解線(xiàn)粒體膜電勢的超極化和活性氧的過(guò)量產(chǎn)生。這說(shuō)明溶酶體膜通透在線(xiàn)粒體活性調控的下游。由于BAM15和PI介導的調控路徑不相同（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(zhù)的效果。
讀完了這篇文章，小編可以預見(jiàn)，在不遠的將來(lái)，那些愛(ài)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.
