裸鼴鼠在缺氧環境下生存的秘密

論文通訊作者、德國MDC的Gary Lewin教授希望揭示裸鼴鼠的代謝秘密。Credit：Roland Gockel/MDC

撰文 | 李家勁 （加州大學洛杉磯分校博士研究生、《知識分子》特約撰稿人）

責編 | 陳曉雪

嘴上兩顆利劍般的獠牙，加上形如臘腸的身軀，裸鼴鼠（naked mole-rat，學名Heterocephalus glaber)被稱為世界上最丑的動物之一。它們常年生活在不透氣的地道里，那裡空氣中二氧化碳含量高達10%，而氧氣含量通常只有6%。如果一個人處於這樣的空間里，短時間內就會受到不可逆的器官損傷。然而，裸鼴鼠即使時常擁擠在一起，也能悠然自得。神奇的是，就算空氣中完全不含有氧氣，它們也能夠存活18分鐘，而當再次呼吸到氧氣的時候，又可以馬上恢復過來，且完全沒有生理性損傷，就像沒事發生過一樣。

Thomas Park實驗室研究的裸鼴鼠。Credit：Thomas Park/UIC

裸鼴鼠如何存活於缺氧環境一直是個謎，理解其生理機制將對缺氧症治療產生重大意義。最近，由德國馬克斯·德爾布呂克分子醫學中心(Max Delbrück Center for Molecular Medicine,MDC)、美國伊利諾伊大學芝加哥分校(University of Illinois at Chicago,UIC)和南非皮勒陀利亞大學(University of Pretoria,UP)組成的國際團隊發現，裸鼴鼠處於缺氧環境下，能夠通過代謝果糖，而非葡萄糖，來獲取能量，這為裸鼴鼠能夠承受極端的缺氧環境提供了解釋。這一結果發表在2017年4月21日上線的Science。

裸鼴鼠身體中代謝物濃度的變化為研究人員提供了線索。「在缺氧條件下，裸鼴鼠和一般老鼠消耗葡萄糖的情況沒有區別，但我們驚訝地發現，裸鼴鼠血液中檢出高濃度的果糖和蔗糖。這很不尋常，因為一般認為這兩種糖會導致代謝疾病，而且蔗糖只能來源於植物。」文章的共同第一作者，MDC的Jane Reznick說。

這意味著，果糖可能是裸鼴鼠的生存法寶。但果糖要參與細胞代謝，需要解決兩個問題。第一是酶解，果糖需要己酮糖激酶（KHK）將其轉化為果糖-1-磷酸，才能進入能量代謝途徑；第二是運輸，果糖需要轉運蛋白GLUT5將其從血液帶到細胞中。通常，哺乳類動物只有特定的器官含有這兩種分子，例如腎臟。但裸鼴鼠在缺氧條件下，幾乎全身所有組織都能明顯檢測出KHK和GLUT5，特別是心臟和腦組織。缺氧條件下，心臟和腦組織能量供應嚴重不足，這是哺乳動物的主要致死原因，而它們心臟和腦組織缺少KHK和GLUT5。

科學家推測，在缺氧環境中，裸鼴鼠的心腦組織能夠改為消耗果糖，而不是葡萄糖來提供能量。為了驗證這個假設，研究人員只為裸鼴鼠和普通老鼠提供果糖作為唯一能量來源，並且持續監測它們的心腦活動。科學家發現裸鼴鼠心臟機能一直保持穩定，而普通老鼠心臟機能衰減了不少。甚至在果糖供應一個小時以後，裸鼴鼠的腦神經系統還能有原來33%的水平，而普通老鼠的大腦神經突觸已不能傳遞信號。

「裸鼴鼠只是簡單地重組了代謝中的基本組成部分，就使它能夠承受極端缺氧的環境。」該文章的另一共同第一作者，UIC的Thomas Park教授在該校新聞中心的一則報道中說。的確，正常的葡萄糖代謝途徑中，第一步就是葡萄糖通過果糖磷酸酶（PFK）轉化成葡糖糖-6-磷酸。這個過程很慢，受到多種抑制。而果糖通過KHK的代謝過程就可以繞開PFK，從而持續不斷地產生能量。

「如果我們能夠知道如何增強果糖代謝，並且用它來代替葡萄糖代謝系統，我們就可以讓細胞（在缺氧條件下）保持活力。」文章的作者之一、UIC的研究人員Brigitte Browe介紹了該發現在心臟病和缺氧症的應用前景。

「我們第一次發現了哺乳類動物可以轉而利用果糖作為能量來源。」論文通訊作者、MDC的Gary Lewin教授總結道。這無疑是裸鼴鼠長年不斷進化，以適應擁擠狹窄的地道生活的結果。但是，沒有人知道，缺氧條件下，裸鼴鼠體內突然增加的果糖和蔗糖究竟來源何處。另外，科學家發現，從葡萄糖代謝轉換成果糖代謝一般伴隨著癌症、心臟疾病和代謝疾病等生理問題，而裸鼴鼠卻能夠毫髮無傷地完成轉換。並且，值得一提的是，裸鼴鼠從不患癌症。因此，本研究在破解一個謎題的同時，又為我們留下了更多的謎題。

參考資料：

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

製版編輯：李 赫丨

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