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你(nǐ)以爲冬眠就是像隻可愛的小(xiǎo)松鼠一樣，簡簡單單地睡上(shàng)幾個月？
冬眠的哺乳動物能(néng)在溫度小(xiǎo)于10℃的環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)學應用(yòng)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定性，依然是一個迷。
最近，在國際期刊Cell上(shàng)刊登了(le)一篇題爲“iPSCs from a Hibernator Provide a Platform for Studying Cold Adaptation and Its Potential Medical Applications”，美(měi)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物，十三條紋地松鼠（13-lined ground squirrels，下(xià)文(wén)均用(yòng)GS表示）爲研究對(duì)象，發現(xiàn)了(le)對(duì)冬眠動物耐寒至關重要的細胞途徑。研究小(xiǎo)組發現(xiàn)，從(cóng)松鼠的誘導多能(néng)幹細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）分化出來(lái)的神經元細胞具有内在的耐寒性。在将人類和(hé)松鼠的iPSC分化出來(lái)的神經元細胞進行表達譜和(hé)功能(néng)比較分析之後，研究者驚喜地發現(xiàn)，人類和(hé)松鼠對(duì)冷的反應差異主要體現(xiàn)在線粒體和(hé)溶酶體中。這(zhè)項研究給非冬眠動物提高(gāo)耐冷性的藥物提供了(le)靶點。
爲了(le)弄清楚地鼠究竟怎麽耐寒的，研究小(xiǎo)組首先利用(yòng)3種神經特異性的微管蛋白(bái)（下(xià)圖綠色表示多聚谷氨酸化微管蛋白(bái)polyglutamylated tubulin，poly-E-T；紅(hóng)色表示β微管蛋白(bái)Ⅲ型b-tubulin isotype-III，TUBB3；藍色表示Δ2-T）的抗體，對(duì)寒冷環境中(4℃)的大(dà)鼠原代皮質神經元細胞（Rat cortical）、人類iPSC分化的神經元細胞（Human iPSC-neuron）、地鼠原代皮質神經元細胞（GS cortical）和(hé)地鼠iPSC分化的神經元細胞（GS iPSC-neuron）進行免疫熒光染色。結果如下(xià)圖所示，差異相當明(míng)顯：大(dà)鼠和(hé)人類的神經元細胞中的微管蛋白(bái)在低(dī)溫下(xià)會(huì)碎片化甚至完全消失，但(dàn)是地鼠的神經元細胞中的微管蛋白(bái)在即便在長時(shí)間的低(dī)溫下(xià)也(yě)能(néng)保持穩定，沒有一絲的異常。（不知(zhī)道(dào)你(nǐ)們服不服地鼠，反正小(xiǎo)編是覺得很(hěn)服的）。還有一點需要強調，地鼠iPSC分化的神經元細胞也(yě)具有很(hěn)強的耐寒能(néng)力，這(zhè)說明(míng)地鼠iPSC分化的神經元細胞繼承了(le)地鼠原代皮質神經元細胞内在的耐寒能(néng)力。
爲了(le)搞清楚地鼠的神經元細胞中的微管蛋白(bái)在低(dī)溫下(xià)保持完整的機制，研究團隊首先幾種微管蛋白(bái)的表達量進行了(le)檢測。結果自(zì)然是在意料之中，在低(dī)溫環境下(xià)，地鼠iPSC分化的神經元細胞中的幾種微管蛋白(bái)表達量沒有變化，而人類iPSC分化的神經元細胞中的幾種微管蛋白(bái)表達量下(xià)降非常明(míng)顯。随後研究團隊又對(duì)地鼠和(hé)人類iPSC分化的神經元細胞進行了(le)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(bái)降解的潛在機制。差異表達基因的聚類分析的結果顯示，當處于寒冷環境中時(shí)，線粒體功能(néng)相關的基因以及熱激蛋白(bái)、蛋白(bái)酶、蛋白(bái)酶抑制劑等參與蛋白(bái)質質控（PQC）的基因，發生了(le)非常顯著的變化。
爲了(le)進一步研究地鼠和(hé)人類iPSC分化的神經元細胞中的線粒體對(duì)寒冷的響應是否不一樣，研究團隊測定了(le)溫度變化時(shí)神經元細胞中線粒體膜電勢的變化情況。結果顯示，當溫度從(cóng)37℃降低(dī)到(dào)10℃時(shí)，人類iPSC分化的神經元細胞出現(xiàn)了(le)超極化的線粒體膜電勢變化，而地鼠iPSC分化的神經元細胞中的線粒體膜電勢呈現(xiàn)出退極化。雖然這(zhè)些(xiē)膜電勢的變化非常短暫，但(dàn)是這(zhè)個短暫的變化卻能(néng)引發線粒體中活性氧（ROS）含量的顯著增加。當用(yòng)微量的線粒體解偶聯劑BAM15處理(lǐ)寒冷脅迫下(xià)的人類iPSC分化的神經元細胞時(shí)，細胞中的線粒體膜電勢及活性氧水(shuǐ)平能(néng)夠迅速下(xià)降到(dào)與地鼠iPSC分化的神經元細胞相同的水(shuǐ)平。
受損的蛋白(bái)通常會(huì)被蛋白(bái)質控系統（PQC）清除，除了(le)泛素介導的蛋白(bái)酶體途徑之外(wài)，溶酶體是另外(wài)一個途徑。而前面的結果提到(dào)，當人類iPSC分化的神經元細胞暴露在寒冷中時(shí)，其細胞中的蛋白(bái)質控系統（PQC）出現(xiàn)了(le)失調，溶酶體完整性受損（如溶酶體膜通透lysosomal membrane permeability，LMP），使細胞質酸化并釋放(fàng)消化酶。爲了(le)解析地鼠和(hé)人類iPSC分化的神經元細胞中的蛋白(bái)質控系統對(duì)寒冷的響應是否不一樣，研究團隊對(duì)地鼠和(hé)人類iPSC分化的神經元細胞進行Magic Red和(hé)DND-26的染色，用(yòng)以标記溶酶體小(xiǎo)泡的離散點。結果顯示，當人類iPSC分化的神經元細胞遭受寒冷脅迫時(shí)，溶酶體小(xiǎo)泡會(huì)非常彌散。這(zhè)正是細胞溶酶體膜通透和(hé)細胞質酸化的典型特征。
受到(dào)生物信息學分析以及實驗結果的啓發，研究團隊試圖去決定，針對(duì)地鼠中耐寒性相關的微管蛋白(bái)調控路徑來(lái)設計(jì)靶向藥物，能(néng)否賦予非冬眠哺乳動物一定的耐寒性。前面的結果中提到(dào)，低(dī)劑量的線粒體解偶聯劑BAM15能(néng)夠起到(dào)保護人類iPSC分化的神經元細胞中微管蛋白(bái)的作(zuò)用(yòng)。相似的結果也(yě)顯示，在人類iPSC分化的神經元細胞瞬時(shí)超量表達線粒體解偶聯蛋白(bái)UCP1/UCP2時(shí)，也(yě)能(néng)使神經元細胞具有一定的耐寒性。
另外(wài)，研究團隊發現(xiàn)當用(yòng)蛋白(bái)酶抑制劑(protease inhibitor，PI)處理(lǐ)人類iPSC分化的神經元細胞時(shí)，能(néng)減輕溶酶體膜通透引起的蛋白(bái)酶滲漏的危害。但(dàn)是蛋白(bái)酶抑制劑無法緩解線粒體膜電勢的超極化和(hé)活性氧的過量産生。這(zhè)說明(míng)溶酶體膜通透在線粒體活性調控的下(xià)遊。由于BAM15和(hé)PI介導的調控路徑不相同（如下(xià)圖所示），因此将BAM15和(hé)PI聯合使用(yòng)将起到(dào)比單獨使用(yòng)更加顯著的效果。
讀完了(le)這(zhè)篇文(wén)章，小(xiǎo)編可以預見，在不遠的将來(lái)，那些(xiē)愛美(měi)如命的小(xiǎo)姐(jiě)姐(jiě)們，或許可以隻有吃上(shàng)一粒小(xiǎo)藥丸（很(hěn)可能(néng)就是BAM15和(hé)PI的二合一藥丸），就可以達到(dào)穿上(shàng)一件貂毛大(dà)衣的禦寒效果了(le)。是不是很(hěn)神奇？你(nǐ)們是不是很(hěn)期待呢(ne)？
參考文(wén)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.
