跨越时间的生存：复活冰冻46000年的线虫 从基因组寻找隐生万年的奥秘

　　大约46000年前埋在西伯利亚永久冻土中的2条线虫被复活后，经过孤雌生殖培养了100代，研究人员对其全基因组深入研究，以探查这46000年前的物种能够隐生万年的秘密：会无限期地处于假死状态？隐生相关基因跟现代秀丽线虫相似？

　　

2018年，由俄罗斯科学院生态学家Anastasia Shatilovich领导的一组科学家发表了一项实验，他们在西伯利亚东北部科雷马河附近的永久冻土中进行了深入挖掘。该团队在杜瓦尼露头（Duvanny Yar outcrop）处的粉质沉积物中挖了40米深的洞，那里的大部分河岸已经坍塌，露出了长期冻结的土壤。在那里，研究人员挖出了近300个样本，其中两个样本含有一种线虫。研究人员复活了这两条线虫——根据放射性碳定年法，这些样本中的土壤和植物物质定年至4.6万年前。经过数年对这些长期冷冻的线虫的遗传学和形态学的研究，Shatilovich和她的同事们确信，这些从西伯利亚永久冻土中出土复活的线虫是一种以前未被描述过的物种——一种来自4.6万年前的物种，属于很久以前在地球其他地方灭绝的物种，这一结果使它们成为地球上最古老的现存动物。这项研究结果最近发表在《公共科学图书馆·遗传学》杂志上。研究人员表示，这种46000年前的微小线虫使用与现代近亲相似的基因进入冬眠状态，在这种状态下，线虫可以无限期地存活数万年。

跨越时间的生存

虽然46,000年的生存令人印象深刻，但线虫并不是唯一从冰中被复活的动物。杜瓦尼露头处的永久冻土层，以及其中的生物和植物，自更新世以来一直处于冻结状态。20世纪30年代，在斯科沃罗季诺科考站工作的古拉格囚犯、俄罗斯科学家P.N. Kapterev在永久冻土中发现了一种甲壳类动物，一旦解冻，它就会移动和进食。从那以后，科学家们重新复活了永久冻土中的其他微生物，包括轮虫和水熊，以及长时间休眠的种子。

为了更多地了解这种新发现的线虫，Shatilovich把它们带给了细胞生物学家Teymuras Kurzchalia，他当时在日本的Max Plank分子生物学和遗传学研究所工作，但现在已经退休了。“Anastasia从莫斯科来的时候，口袋里装着存活了4.6万年的线虫，我把它们放在显微镜下，”他回忆说。“我想，哇，这真的很神奇。”Kurzchalia说，研究人员将这些复活的线虫培养了100代，花了很长时间。这两个样本里的线虫都是雌性。幸运的是，她们可以孤雌生殖。

根据它们一致的形状和大小，这些线虫最初看起来像是属于现存的两个属之一，Panagrolaimus或Plectus。但与现有线虫基因组的全基因组比较表明，它们不是任何现有物种的成员。相反，研究人员报告说，这种长时间冬眠的生物似乎与其他Panagrolaimus物种密切相关，但又不同。研究小组还对线虫进行了广泛的形态学表征，发现它们的形状和体型与当今存在的任何Panagrolaimus物种都不匹配。Kurzchalia说:“它确实是一个新物种，有99%的可能性。“在某种程度上，这是侏罗纪公园。”Kurzchalia和他的团队决定将这种物种命名为Panagrolaimus kolymaensis，以发现标本的Kolyma河命名。

深入了解线虫在冰中冷冻如此之久的生物过程

生活在干旱的沙漠和冰冻的苔原等极端环境中的其他线虫可以进入一种被称为隐生（cryptobiosis）的假死状态。在常用的模式生物秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)中也可以诱导这种可逆的代谢关闭以应对恶劣的干燥，方法是先把它们放在潮湿的环境中，然后把它们弄干。但Kurzchalia说，这些干涸的线虫只存活了大约一周。简单地冷冻秀丽隐杆线虫会杀死它们，脱水后再冷冻的动物可以存活至少500天，研究人员甚至认为它们可以存活更长的时间，也许是无限期的。

获得了新线虫的完整基因组，研究人员能够探测P. kolymaensis是否具有与秀丽隐杆线虫相似的隐生相关的分子机制。比较基因组学揭示了P. kolymaenis的基因与先前与隐生线虫C. elegans相关的基因相似，包括帮助线虫产生海藻糖的关键代谢过程的基因，说海藻糖是在干燥中生存的“最重要的参与者”。

在冰冻温度下，海藻糖呈凝胶状，可以保护细胞及其内容物，稳定蛋白质，防止细胞内形成破坏性冰晶。在秀丽隐杆线虫中，潮湿的环境刺激海藻糖的产生，耗尽动物的脂质储存，使它们进入隐生状态。研究人员发现，像秀丽隐杆线虫一样，P. kolymaensis也在潮湿的环境中产生糖，这有助于动物进入隐生状态，并在干燥后保持活力。然而，对于P. kolymaensis的一些成员来说，在干燥之前湿度的增加并不是它们进入冬眠的必要条件。

更多启示

罗格斯大学(Rutgers University)的生物学家Dan Shain没有参与目前这篇论文的研究，但参与过对永久冻土中轮虫的类似研究，他表示最惊讶的发现是，常见的、被广泛研究的实验室线虫秀丽隐杆线虫(C. elegans)显然也能够长期生存。因此，不仅仅是“少数外来的、高度进化的异类物种可以做到这一点，而是似乎很多动物都有可能过渡到隐生状态的机制。”

Kurzchalia说:“我们证明，这些线虫具有相同或至少相似的机制，可以进入隐生状态。”“大自然创造了一种普遍存在的东西，使其能够跨越时间。”他们希望这种类型的研究将启发更多关于线虫如何进化并保持如此长时间生存能力的研究。Kurzchalia还希望科学家们能够在其他动物中诱导隐生。“线虫是非常复杂的动物，但如果它们无限期地冻结新陈代谢，为什么我们不能在哺乳动物细胞中这样做呢?”这种技术可以制造更持久的器官、组织和血液，以及可以在太空旅行中存活的细胞。不过，海藻糖对哺乳动物细胞是有毒的，而脊椎动物缺乏制造海藻糖的酶。其他问题仍然存在，比如蠕虫在被冷冻这么长时间后，究竟是如何启动细胞并修复DNA损伤的。

此前，该团队的放射性碳测年技术受到了其他研究人员的质疑，他们认为，永久冻土可能在地质时间上比它们周围的环境更晚的时候被线虫污染。目前尚不清楚的是，46,000年的永久冻土是否达到或接近该物种可能的最大隐生暂停时间。这些动物不太可能无限期地生存下去。“最终，在温带条件下导致死亡的生物变化最终会在隐生过程中产生同样的效果，” Shain说。