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裸鼹鼠在缺氧环境下生存的秘密

撰文 | 李家劲 (加州大学洛杉矶分校博士研究生、《知识分子》特约撰稿人)
责编 | 陈晓雪
 
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嘴上两颗利剑般的獠牙,加上形如腊肠的身躯,裸鼹鼠(naked mole-rat,学名Heterocephalus glaber) 被称为世界上最丑的动物之一。它们常年生活在不透气的地道里,那里空气中二氧化碳含量高达10%,而氧气含量通常只有6%。如果一个人处于这样的空间里,短时间内就会受到不可逆的器官损伤。然而,裸鼹鼠即使时常拥挤在一起,也能悠然自得。神奇的是,就算空气中完全不含有氧气,它们也能够存活18分钟,而当再次呼吸到氧气的时候,又可以马上恢复过来,且完全没有生理性损伤,就像没事发生过一样。
 
裸鼹鼠如何存活于缺氧环境一直是个谜,理解其生理机制将对缺氧症治疗产生重大意义。最近,由德国马克斯·德尔布吕克分子医学中心(Max Delbrück Center for Molecular Medicine,MDC)、美国伊利诺伊大学芝加哥分校(University of Illinois at Chicago,UIC)和南非皮勒陀利亚大学(University of Pretoria,UP)组成的国际团队发现,裸鼹鼠处于缺氧环境下,能够通过代谢果糖,而非葡萄糖,来获取能量,这为裸鼹鼠能够承受极端的缺氧环境提供了解释。这一结果发表在2017年4月21日上线的Science。
 
裸鼹鼠身体中代谢物浓度的变化为研究人员提供了线索。“在缺氧条件下,裸鼹鼠和一般老鼠消耗葡萄糖的情况没有区别,但我们惊讶地发现,裸鼹鼠血液中检出高浓度的果糖和蔗糖。这很不寻常,因为一般认为这两种糖会导致代谢疾病,而且蔗糖只能来源于植物。”文章的共同第一作者,MDC的Jane Reznick说。
 
这意味着,果糖可能是裸鼹鼠的生存法宝。但果糖要参与细胞代谢,需要解决两个问题。第一是酶解,果糖需要己酮糖激酶(KHK)将其转化为果糖-1-磷酸,才能进入能量代谢途径;第二是运输,果糖需要转运蛋白GLUT5将其从血液带到细胞中。通常,哺乳类动物只有特定的器官含有这两种分子,例如肾脏。但裸鼹鼠在缺氧条件下,几乎全身所有组织都能明显检测出KHK和GLUT5,特别是心脏和脑组织。缺氧条件下,心脏和脑组织能量供应严重不足,这是哺乳动物的主要致死原因,而它们心脏和脑组织缺少KHK和GLUT5。
 
科学家推测,在缺氧环境中,裸鼹鼠的心脑组织能够改为消耗果糖,而不是葡萄糖来提供能量。为了验证这个假设,研究人员只为裸鼹鼠和普通老鼠提供果糖作为唯一能量来源,并且持续监测它们的心脑活动。科学家发现裸鼹鼠心脏机能一直保持稳定,而普通老鼠心脏机能衰减了不少。甚至在果糖供应一个小时以后,裸鼹鼠的脑神经系统还能有原来33%的水平,而普通老鼠的大脑神经突触已不能传递信号。
 
“裸鼹鼠只是简单地重组了代谢中的基本组成部分,就使它能够承受极端缺氧的环境。”该文章的另一共同第一作者,UIC的Thomas Park教授在该校新闻中心的一则报道中说。的确,正常的葡萄糖代谢途径中,第一步就是葡萄糖通过果糖磷酸酶(PFK)转化成葡糖糖-6-磷酸。这个过程很慢,受到多种抑制。而果糖通过KHK的代谢过程就可以绕开PFK,从而持续不断地产生能量。
 
“如果我们能够知道如何增强果糖代谢,并且用它来代替葡萄糖代谢系统,我们就可以让细胞(在缺氧条件下)保持活力。”文章的作者之一、UIC的研究人员Brigitte Browe介绍了该发现在心脏病和缺氧症的应用前景。
 
“我们第一次发现了哺乳类动物可以转而利用果糖作为能量来源。”论文通讯作者、MDC的Gary Lewin教授总结道。这无疑是裸鼹鼠长年不断进化,以适应拥挤狭窄的地道生活的结果。但是,没有人知道,缺氧条件下,裸鼹鼠体内突然增加的果糖和蔗糖究竟来源何处。另外,科学家发现,从葡萄糖代谢转换成果糖代谢一般伴随着癌症、心脏疾病和代谢疾病等生理问题,而裸鼹鼠却能够毫发无伤地完成转换。并且,值得一提的是,裸鼹鼠从不患癌症。因此,本研究在破解一个谜题的同时,又为我们留下了更多的谜题。
 
参考资料:
1. Thomas J. Park, Jane Reznick et al. (2017): “Fructose driven glycolysis supports anoxia resistance in the naked mole-rat." Science. http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aab389
2. https://news.uic.edu/naked-mole-rats-turn-into-plants-when-oxygen-is-low
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