研究精確定位了南極章魚神經系統的寒冷適應 _南極

一種加利福尼亞雙斑章魚(雙斑章魚)，是用于這項溫度適應研究的溫帶水域章魚(雙斑章魚)的近親。鳴謝:Tom Klein dinst/海洋生物實驗室
據海洋生物實驗室（懷恩·帕里）：充滿溶解鹽的南極水可以在冰點以上徘徊，甚至低于冰點。如此低的溫度可能會殺死在更北的溫暖水域中生存的動物。然而，一些生物已經找到了在這種嚴寒中生存的方法。
在《美國國家科學院院刊》上發表的一項新研究中，海洋生物實驗室(MBL)的研究人員及其合作者專注于在如此寒冷的棲息地生活如何改變了一種動物神經系統功能所必需的酶，這種動物是生活在環極地南大洋的章魚。他們的工作探索了生物適應極端環境的眾多方式之一。
“我們非常詳細地觀察了神經系統中一種非常重要的酶，鈉鉀泵，然后我們問，‘我們在哪里看到這些適應位點？’”MBL大學的資深科學家約書亞·羅森塔爾說。
寒冷中生活的挑戰
溫度對生命至關重要，部分是因為啟動體內各種生化反應的酶需要熱能——表現為熱量——才能運轉。隨著氣溫驟降，酶的活性降低，最終逐漸停止。
雖然包括人類在內的一些動物可以加熱自己的身體，但章魚缺乏這種能力。然而，這些八臂生物已經找到了一種在南極水域居住的方法，那里的寒冷使它們的酶反應速率降低了30倍。神經系統尤其脆弱，因為發送和接收電信號需要許多精心協調的反應。“當你把它們都放慢到這樣的程度時，這是一個大問題:它們如何適應？”羅森塔爾說。
科學家已經研究了許多蛋白質的冷適應，但他們在很大程度上忽略了那些嵌入細胞周圍皮膚樣膜的蛋白質。膜蛋白執行許多工作，包括將離子移入和移出細胞。這項新研究的核心蛋白質Na+/K+-ATP酶可以從細胞中去除鈉離子，同時引入鉀離子，產生電位差，神經元將此作為交流的能量來源。
尋找最重要的變化
在之前的研究中，包括羅森塔爾和米格爾·霍爾姆格倫(Miguel Holmgren)在內的團隊發現，寒冷會減緩南極章魚(Pareledone屬)的鈉鉀泵，遠不如生活在溫帶水域(如加利福尼亞州海岸)的雙點章魚(Octopus bimaculatus)的鈉鉀泵。米格爾·霍爾姆格倫是美國國家神經疾病和中風研究所的膜蛋白生物物理學家，也是MBL大學的長期summer Whitman研究員。
為了確定這些泵之間的差異，研究小組研究了組成它們的結構單元，即氨基酸。雖然這兩者基本相同，但他們發現了一些氨基酸不同的地方。為了確定這些變化中哪一個影響最大，他們在不同的泵之間交換這些變化并測試其效果。
首先，他們改造了溫帶泵，使其包含獨特的南極氨基酸，以了解哪些氨基酸賦予了耐寒性，然后他們去除了南極的變化，使泵恢復到溫帶、耐寒狀態。通過這種方式，他們將最重要的差異縮小到三個，這三個差異共同使泵在接近冰點的溫度下快速工作。
其中一種叫做L314V的效果最大。將這種氨基酸從南極泵的亮氨酸換成溫和的纈氨酸可以根除新發現的耐寒性。
寒冷適應的主題？
當他們繪制L314V和泵結構中其他兩種變化的位置時，研究人員發現它們位于邊緣，面對油膩的膜。在L314V的情況下，研究人員認為，改變這種氨基酸會改變泵的這一部分逆著膜移動的方式，可能是通過減少阻力，使泵能夠更快地工作。
Holmgren說，蛋白質和細胞膜之間的界面可能是這種適應的場所，這對我們來說是有意義的。“一旦我們研究了更多的膜蛋白，我想我們會看到更多這樣的例子。”