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抵抗深海压力的细胞秘密

2024-09-19 12:55阅读：

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抵抗深海压力的细胞秘密
来自栉水母的细胞膜揭示一种对深海的新适应：在压力下共形一个理想形状的弯曲脂质。
BIOPHYSICS
抵抗深海压力的细胞秘密

为什么一只适应高压生活的栉水母在海洋表面分解？答案位于它的细胞膜中分子的形状。Jacob Winnikoff
ByYasemin Saplakoglu
Staff Writer
September 9, 2024
海底是冷的、黑暗的并处在极端压力下。这不是一个适合我们地表居住者生理的地方：在最深的点上，36200英尺海水的压力比一只大象在你身体中每平方英寸上的重量更大。然而，地球的最深地方对唯一的适合这些挑战的条件的生命是家园。科学家们已经研究了一些大型动物的身体如琵琶鱼和斑点鱼如何已经忍耐这种压力的。但关于细胞和分
子如何承受数千英尺海水的挤压和压碎重量远更少知道。
加州大学圣地亚哥分校研究细胞膜生物化学的布丁（Itay Budin）说，“在深海底下生活的动物不是生活在地表水中的动物。它们显然的生物学上被特别化。但在分子水平上关于实际上什么正在决定这种特别化我们几乎不知道” 。
在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究人员又对细胞如何已经适应在深海渊中的生命进行最深入的研究。2018年，布丁遇到了深海生物学家哈多克（Steve Haddock），他们结合力量来调查细胞膜——特别是细胞膜被弄成的脂质分子——可能帮助解释动物如何已经在如此一个高压的环境中兴旺的。
为找到他们转向了栉水母，这是哈多克在加利福尼亚州蒙特利湾水族馆研究所（MBARI）研究的简单的、透明的动物。在他的学生温尼科夫（Jacob Winnikoff）的带领下，跨学科团队发现了住在深处的栉水母的膜被用与那些它们的浅水对手完全不同形状的脂质分子弄成。深海栉水母中四分之三的脂质是缩醛磷脂（Plasmalogen），这是一种在水面动物中更罕见的弯曲脂质。在深海的压力下，弯曲的分子共形到需要来支持一个坚固又动态的细胞膜的精确形状。
在加州大学圣地亚哥分校研究微生物如何在深度和压力下维持生命的巴特勒特（Douglas Bartlett）说，“这是一篇令人惊叹的论文……有相当深远的涵义”，他没有参与这项新研究。“他们提供另一种深海动物的脂质以及可能的深海微生物和一系列生物如何被以一种压力特定的方式适应的解释” 。

抵抗深海压力的细胞秘密
研究深海动物的细胞膜的生物化学家布丁（Itay Budin（中））与海洋生物学家哈多克（Steve Haddock（右））和温尼科夫（Jacob Winnikoff（左））联手。
康奈尔大学研究分子生物物理学的索尔·格鲁纳说，“他们正在探究一个在很大程度上已经没有被探索的领域” 。这项研究咨询了他，但他不是合著者。
缩醛磷脂（Plasmalogen）脂质也被发现在人脑中，它们在深海膜中的角色可能帮助解释细胞发信号的各个方面。更立即的是这项研究揭开一种生命已经适应到深海的最极端条件的新方式。
膜中的疯狂
地球上所有生命的细胞都被叫脂质的脂肪分子包围着。如果你在一个试管中放入一些脂质并加水它们自动的背对背排队：脂质的油腻的、讨厌水的尾部混合来形成一个内层，它们的喜欢水的头部一起排列来形成一个薄膜的外层。温尼科夫说，“这就像在一个盘子里的油和水分离一样，对脂质这是普遍的，它是使它们工作的的” 。
对一个细胞，一个外层脂质膜服务为一个物理屏障，就像一间房子的外墙一样，提供结构并保持细胞的内部在它之内。但这个屏障不能是太坚固的：它布满有蛋白质，这需要一些活动空间来执行它们的各种细胞职责例如跨膜运送分子。有时一个细胞膜掐掉来将化学物质释放进环境并然后再次融合在一起。
膜正刚好在稳定性的边缘上平衡…它实际上是一种液晶。Jacob Winnikoff, Harvard University
因此要让一个膜是健康的和功能的，它必须同时是坚固的、流动的和动态的。温尼科夫说，“膜正刚好在稳定性的边缘上平衡，即便它有这种真的被很好定义的结构，但构成两侧薄片的所有单个分子所有时间它们正在围绕彼此流动着。它实际上是一种液晶” 。
他说，这种结构的一个浮现的属性是膜的中间对温度和压力是高度敏感的，比蛋白质、DNA或RNA等其他生物分子更是如此。例如，如果你冷却一个脂质膜分子更慢的移动，温尼科夫说，“然后最终它们会只是锁在一起” ，就像当你把橄榄油放进冰箱里一样。“生物学上这通常是一件糟糕的事。代谢过程停止，膜甚至能破裂并泄漏它的内容“。
为避免这个，许多适应寒冷的动物都有由一个结构略有不同的脂质分子混合物组成的膜来保持甚至在低温下液晶流动着。因为高压也减缓一个膜的流动，许多生物学家假定了深海膜被以同样的方式建造。
但原来是这些研究人员没有得到这个全部图片。这将要用生物化学家和海洋生物学家之间一个出乎意料的合作以及更先进的技术来看深海膜已经进化了一种不同的用流动走的方式。
走深的
栉水母是以脆弱身体的贪婪捕食者。它们是用纤毛游泳的最大动物，纤毛以被称为梳子的排队起来，它们吃食各种各样的猎物。基因证据提示它们是第一批在它们自己的进化道路上从动物树上分支出来的生物。尽管它们以某些方式像水母，但人类实际上比栉水母是的更密切关系到水母。它们已经成功的殖民了各种海洋栖息地，从表面水到海沟，从热带到极地。

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当用温塔那遥控海洋船（ROV Ventana）探索深海时研究人员通过机器人手臂收集了栉水母和潜入水面水时（右）用手收集栉水母。Jacob Winnikoff
你会期望如此一个广泛的群体是可适应的，真的来自深海的栉水母与生活在海洋表面附近的栉水母被不同的构造。巴特利特说，“你收集这些深海家伙，把它们带到水面，而它们只是分崩离析。它们刚好融化掉。这真的相当急剧的” 。同样，如果那些适应浅水的最终到达深水区，它们越来越快的击打纤毛，最终死亡。但没有人真的知道将它们分开的分子差异。
2018年，栉水母专家哈多克参加了一个关于真核生物起源的会议。在观看了布丁目前关于细胞膜对温度反应的研究后，他走近了脂质专家。哈多克有一个研究生温尼科夫他想来研究对极端压力的适应。众所周知，脂质对压力是敏感的，因此细胞膜是调查的一个首要目标。他们决定来合作。
哈多克、布丁和温尼科夫从来自海洋的不同地方收集的栉水母开始。温尼科夫穿着潜水装备，小心翼翼的从蒙特雷湾的表层水哄引栉水母进入罐子。从蒙特利湾水族馆研究所的一艘海洋考察船，他帮助操作了一个深海机器人来从12000英尺深的地方收集栉水母。为控制深海中低温的影响，他和布丁请在他们自己探险上的朋友从寒冷的北极水域收集表层栉水母。该团队共收集了来自17个相关物种的66只动物。

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栉水母已经适应了从表面到深海、从冷极到温暖热带的海洋栖息地。17个研究物种中的4个，从左上角顺时针排列：常见于北极浅水区的黄瓜（B. cucumis）、浅水斑点栉水母（Leucothea pulchra）、瓜水母（Beroe abysicola）、黄瓜（B. cucumis）的一种深水近亲以及一种未被描述的浅水海葵。Jacob Winnikoff
到该项目的分子部分时疫情已经爆发。因此温尼科夫在他的车库里建立一个实验。他用荧光光谱仪将紫外线光射入装满了他们已经收集到的生物膜物质的小球试管中。结果困惑了他。随他升高了温度深海膜并没有变得更流动的——一个被考虑为在脂质膜中普遍存在的响应。.
因此，他和布丁咨询了康奈尔大学粒子加速器前主任格鲁纳（Gruner）。格鲁纳说，如果他们真的要知道膜中正在发生的，他们将需要强大的高能X射线。他知道完美的来源。
压力之下
在康奈尔大学主运动场下50英尺深埋着一台同步加速器：一种用一个高频电场和一个低频磁场来加速带电粒子的粒子加速器。格鲁纳战斗来建立的该设施的一部分也可能已经被设计研究深海细胞膜。它的小角度X射线散射操作于2020年开放，不仅能够区分脂质等分子的精细细节和形状，还能够增加和减少它们所承受的压力。
该团队也体验了一些压力，因为他们不得不忍受深夜来在该设施做出他们的最有限时间。他们射向他们的脂质样本的强X射线揭示了迄今为止来自深海渊的最清晰细胞膜图像。深海栉水母有在我们的标准大气压下比那些在表面的细胞膜中更弯曲形状的细胞膜脂质。这些动物已经特别的增加了被称为缩醛磷脂的脂质的产生。
温尼科夫说，“在这些深海栉水母中，缩醛磷脂能构成所有脂质的四分之三，我们正在谈论的是在动物的全身的所有膜脂质，这种是有点疯狂的。我们做了很多检查来确保这不是一个错误” 。
他说，在表面上一个缩醛磷脂有一个小的磷酸盐头和一对宽的张开的尾巴，类似于一个羽毛球。但在高压下尾巴会挤在一起来形成必要的坚固又动态的结构。
布丁说，“它们在不同的形状开始它们的脂质。因此当你压缩它们时它们仍然保持着你在我们自己的细胞中看到的正确的金发姑娘形状，但在这些极端的压力下” 。布丁和温尼科夫命名了这种新颖的修饰为“顺势曲率适应””

抵抗深海压力的细胞秘密
Mark Belan for Quanta Magazine
巴特利特说，带一个缩醛磷脂膜到深海就像压下一个弹簧一样。在表面上当弹簧的张力被释放时它急剧的延伸。“这是当你能想象细胞、它们的膜分崩离析时” 。与此同时如果一个有更直脂质的表面膜被带到深处它压缩太多并变得太硬不能来恰当功能。
值得注意的是，来自北极寒冷浅水区的栉水母中不存在弯曲的缩醛磷脂。澳大利亚贝克心脏与糖尿病研究所研究缩醛磷脂的脂质生物学家梅克尔（Peter Meikle）说，“膜的组成几乎将这些生物限制到一个特定的压力范围内” ，他没有参与这项研究。
带缩醛磷脂膜到深海就像向下压一个弹簧一样。
但布丁想来看这些脂质在行动中，在同步加速器的一个后一轮期间对他发生了某些事情。他说，“在半夜当你极度疲劳时” ，有时你有一个好想法。他偶然发现了一篇来研究脂质的有趣方法的论文。作者已经转基因了大肠杆菌细菌来在它们的膜中产生缩醛磷脂，而不是它们的正常的脂质。布丁意识到他的团队同样可以哄引细菌来产生更多的缩醛磷脂，并对它们加压来看细胞膜在活细胞中坚持起来。
遵循该论文的方法，他们表明了有缩醛磷脂膜的细菌真的比典型的细菌更耐受压力。温尼科夫说，这些实验膜仅由20%的缩醛磷脂组成但它“足够来做出一个差异”。
巴特利特印象深刻的是弯曲的脂质形状的影响发生在这样的不相关的物种上。他说，“出自这个可能的是这是我们发现这种顺势曲率的适应原理将变成生命的一个普遍属性的”。
弯曲的灵活性
缩醛磷脂不被限制到深海。它们也被发现在包括人类的其他生物体中变化的程度。人体内缩醛磷脂的百分比依靠细胞类型。在肝脏中，缩醛磷脂构成磷脂的5%。在肌肉中它们能在20%到40%之间的范围。在大脑中，它们构成约60%。
事实上，缩醛磷脂的变性已经被联系到阿尔茨海默病等神经退行性疾病。梅克尔说，“证据提示缩醛磷脂是更保护的” ，他研究缩醛磷脂因为它们的与哺乳动物健康的联系。
温尼科夫推测，缩醛磷脂可能给神经细胞它们沟通需求的刚好的灵活性。为发送信号神经元用神经递质充满细胞囊，然后这些囊与细胞膜融合来将发信号化合物释放到下一个神经元。温尼科夫建议，也许缩醛磷脂的曲线结构使这成为可能的。
梅克尔喜欢这个想法。他说，“确实，它们是允许膜来形成这些类型曲率的主要种的锥形”。随研究更好了解脂质在膜功能中的角色这些发现可能对更广泛的膜是相关的。
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格鲁纳说，“他们已经打开比他们已经提出的更多的问题。但希望它催化人们来开始思考并做更多深入这一主题的实验的研究” 。
真的，现为哈佛大学博士后的温尼科夫正在探究这种脂质如何适应机制是跨不同生物多普遍的。他已经开始实验来弄清楚是否在热液喷口--岩浆和海水相遇的深海区域--发现的生物有类似的适应性。
他补充说，真的有趣的是来观察古细菌，这是生命的第三个分支。温尼科夫说，古菌脂质比那些在细菌和真核生物中发现的脂质不一样的行为：它们遵循不同的化学。“它们遵循同一的物理学吗？”
披露：布丁已接收西蒙斯基金会的资助，该基金会还资助这个编辑上独立的杂志。西蒙斯基金会资助决定对我们的报道没有影响。
更正：2024年9月11日
一个描述神经元发信号的句子被更新。
https://www.quantamagazine.org/the-cellular-secret-to-resisting-the-pressure-of-the-deep-sea-20240909/

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