研究精确定位了南极章鱼神经系统的寒冷适应

一种加利福尼亚双斑章鱼(双斑章鱼)，是精确用于这项温度适应研究的温带水域章鱼(双斑章鱼)的近亲。鸣谢:uux.cn/Tom Klein dinst/海洋生物实验室
（神秘的定位的寒地球uux.cn）据海洋生物实验室（怀恩·帕里）：充满溶解盐的南极水可以在冰点以上徘徊，甚至低于冰点。南极如此低的章鱼温度可能会杀死在更北的温暖水域中生存的动物。然而，神经一些生物已经找到了在这种严寒中生存的系统方法。
在《美国国家科学院院刊》上发表的冷适一项新研究中，海洋生物实验室(MBL)的研究研究人员及其合作者专注于在如此寒冷的栖息地生活如何改变了一种动物神经系统功能所必需的酶，这种动物是精确生活在环极地南大洋的章鱼。他们的定位的寒工作探索了生物适应极端环境的众多方式之一。
“我们非常详细地观察了神经系统中一种非常重要的南极酶，钠钾泵，章鱼然后我们问，神经‘我们在哪里看到这些适应位点？系统’”MBL大学的资深科学家约书亚·罗森塔尔说。
寒冷中生活的挑战
温度对生命至关重要，部分是因为启动体内各种生化反应的酶需要热能——表现为热量——才能运转。随着气温骤降，酶的活性降低，最终逐渐停止。
虽然包括人类在内的一些动物可以加热自己的身体，但章鱼缺乏这种能力。然而，这些八臂生物已经找到了一种在南极水域居住的方法，那里的寒冷使它们的酶反应速率降低了30倍。神经系统尤其脆弱，因为发送和接收电信号需要许多精心协调的反应。“当你把它们都放慢到这样的程度时，这是一个大问题:它们如何适应？”罗森塔尔说。
科学家已经研究了许多蛋白质的冷适应，但他们在很大程度上忽略了那些嵌入细胞周围皮肤样膜的蛋白质。膜蛋白执行许多工作，包括将离子移入和移出细胞。这项新研究的核心蛋白质Na+/K+-ATP酶可以从细胞中去除钠离子，同时引入钾离子，产生电位差，神经元将此作为交流的能量来源。
寻找最重要的变化
在之前的研究中，包括罗森塔尔和米格尔·霍尔姆格伦(Miguel Holmgren)在内的团队发现，寒冷会减缓南极章鱼(Pareledone属)的钠钾泵，远不如生活在温带水域(如加利福尼亚州海岸)的双点章鱼(Octopus bimaculatus)的钠钾泵。米格尔·霍尔姆格伦是美国国家神经疾病和中风研究所的膜蛋白生物物理学家，也是MBL大学的长期summer Whitman研究员。
为了确定这些泵之间的差异，研究小组研究了组成它们的结构单元，即氨基酸。虽然这两者基本相同，但他们发现了一些氨基酸不同的地方。为了确定这些变化中哪一个影响最大，他们在不同的泵之间交换这些变化并测试其效果。
首先，他们改造了温带泵，使其包含独特的南极氨基酸，以了解哪些氨基酸赋予了耐寒性，然后他们去除了南极的变化，使泵恢复到温带、耐寒状态。通过这种方式，他们将最重要的差异缩小到三个，这三个差异共同使泵在接近冰点的温度下快速工作。
其中一种叫做L314V的效果最大。将这种氨基酸从南极泵的亮氨酸换成温和的缬氨酸可以根除新发现的耐寒性。
寒冷适应的主题？
当他们绘制L314V和泵结构中其他两种变化的位置时，研究人员发现它们位于边缘，面对油腻的膜。在L314V的情况下，研究人员认为，改变这种氨基酸会改变泵的这一部分逆着膜移动的方式，可能是通过减少阻力，使泵能够更快地工作。
Holmgren说，蛋白质和细胞膜之间的界面可能是这种适应的场所，这对我们来说是有意义的。“一旦我们研究了更多的膜蛋白，我想我们会看到更多这样的例子。”