作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/5 15:55:59
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裸鼹鼠惊厥,竟因为二氧化碳浓度低?

 

非洲裸鼹鼠堪称动物界的“超级英雄”,它们能抵抗癌症,忍受疼痛,而且非常长寿。裸鼹鼠耐受高浓度二氧化碳的能力也远近闻名——它们可以在无氧的情况下存活数分钟。但是研究人员在4月30日发表于《当代生物学》期刊上的一篇报告中称,他们可能已经找到了裸鼹鼠的“阿喀琉斯之踵”:环境二氧化碳浓度必须很高,它们才能正常生活。

“裸鼹鼠通常在东非地区挖掘狭窄的巢穴繁衍生息,而一旦呼吸到洞穴表层以上的空气,它们就很容易惊厥发作。”纽约市立大学的Dan McCloskey说,“因为当裸鼹鼠体内二氧化碳浓度降低时,它们就会出现这种情况。”

换言之,与其说这种鼹鼠只是因为住在拥挤的巢穴中才不得不忍受高浓度的二氧化碳,不如说它们其实需要这个环境。一旦它们到达炎热的地面,被高温引发过度换气并吸入新鲜空气时,就会造成惊厥。本研究科学家们发现,裸鼹鼠基因中一个编码主要神经元氯化物转运蛋白(KCC2)的基因中出现了错义突变,这个突变可以解释它们这种奇特的对二氧化碳浓度的需求。

出人意料的基因突变

研究人员得出这个发现其实是意料之外。众所周知,裸鼹鼠几乎无法控制自身的身体温度,而且在炎热环境中容易惊厥发作。McCloskey和本研究的第一作者Michael Zions一直在探索裸鼹鼠容易出现这种类似于发热惊厥现象的内在机理,以便将其作为人类儿童发热诱发惊厥的模型。

该团队与芬兰赫尔辛基大学的Kai Kaila和Martin Puskarjov联手合作。Kaila专攻高热惊厥现象,他和Puskarjov早先曾在易发这种疾病的人的家族中发现了一个影响KCC2的突变。他们目前所知的是,在有高热惊厥遗传倾向的家族中发现的基因突变,在裸鼹鼠体内也存在。

“我们知道这条研究路径有一定的价值,但我们没想到的是,这种症状上的相似性能够一直追溯到基因层面。”Kaila表示。

“对裸鼹鼠KCC2遗传多态性的鉴定让我们非常惊喜。”Puskarjov补充道,“除了一个很小的人类亚群以外,裸鼹鼠是目前已知唯一的带有这一基因变体的哺乳动物。”

随着进一步的研究,更多的惊喜接连而至。当研究人员给一只裸鼹鼠服用抗惊厥药物地西泮时,这种药物非但没有抑制惊厥,反而加剧了它。虽然这一结果出人意料,但它帮助研究人员理解了多年来在裸鼹鼠身上观察到的不寻常行为和电生理数据:裸鼹鼠在依靠二氧化碳来帮助自己弥补大脑抑制性GABA能系统的缺陷。

KCC2是一种氯化物转运蛋白:它的日常工作是控制神经元内部的氯含量。在典型的成年哺乳动物中,中枢神经元内的氯含量维持在较低水平。当神经递质GABA与神经元结合时,氯化物会进入神经元并使其失活。想要让成千上万的神经元协同工作,避免过度兴奋,就必须有这种抑制神经元活性的机制。而在裸鼹鼠和携带这种突变的人身上,KCC2不能像正常情况下那样有效地清除神经元中的氯化物,这样一来,这种抑制级联也就不能发挥作用。

打开鼹鼠演化史的“一扇窗”

“裸鼹鼠的大脑缺乏哺乳动物所需要的一些抑制能力。它们利用二氧化碳来替代这种调节能力,让自己回到生活所必须的正常状态。”Zions说,“它们偏爱这种二氧化碳浓度高到吓人的环境,而承受不住新鲜空气。正是为了平衡这一弱势,它们为自己挖出了名副其实的‘安乐窝’。”

研究人员解释称,大脑抑制功能受损的通常是一种不利情况,那些易发高热惊厥的人便饱受其苦。裸鼹鼠显然也是如此,所以才需要依靠富含二氧化碳的环境来保持自己的大脑正常运转。“我们认为它们在利用巢穴中的二氧化碳浓度来弥补自己贫乏的GABA系统。”Kaila表示。

研究人员认为,这一发现提供了一条重要的线索,或可解释为什么裸鼹鼠是仅有的两种演化出真社会性的哺乳动物之一,在高度合作的群落中共同生活。

“二氧化碳含量低的区域可能会导致裸鼹鼠过度兴奋、过度刺激或焦虑。它们的大脑生理机制敦促它们回到安乐窝,而不是特立独行。”McCloskey说。研究人员还发现了一个事实足以支持这一观点:除裸鼹鼠之外只有一种具有真社会性的哺乳动物,即达马兰鼹鼠,而达马兰鼹鼠的KCC2基因上在与裸鼹鼠完全相同的位置也有一个略微不同的突变。

研究人员认为这一发现除了有助于深入了解鼹鼠演化史以外,或许还可以启发对携带KCC2变体的人群的研究,包括易发高热惊厥的人群,以及特发性全面性癫痫、精神分裂症或自闭症患者,这些患者中有的也拥有这一基因变体。“我们需要关注这些人的呼吸模式和他们对二氧化碳的需求是否与旁人不同。”Kaila说。

 
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