Marine Life Science & Technology发表美国科学院院士George Somero教授综述文章

期刊：Marine Life Science & Technology

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近日，美国科学院院士、斯坦福大学George Somero教授受邀在Marine Life Science & Technology (MLST)发表题为“Solutions: how adaptive changes in cellular fluids enable marine life to cope with abiotic stressors”的综述文章。文章重点介绍细胞液渗透剂系统在促进海洋生物应对非生物环境胁迫，尤其是应对温度和静水压力过程中所产生的一系列适应性变化。

温度（Temperature）和静水压力（Hydrostatic pressures）等非生物胁迫影响生物生化系统中的结构和功能，给海洋生物的生存和发育带来多重挑战。生化水平上，这两种环境胁迫的扰动效应主要通过非共价（弱）化学键，如氢键、离子间相互作用和疏水效应等，破坏生物大分子三维结构稳定性和柔性间的平衡。对处于最佳生理功能状态的生物而言，所有大分子系统必须在稳定性和柔性之间取得动态平衡。实现上述稳定性和柔性的动态平衡，需要内在和外在因素的双重作用，主要通过两种方式实现：一种是在进化过程中，非生物胁迫会导致蛋白质和某些核酸的构象稳定性在遗传水平上发生适应。另外一种是通过能够影响生物大分子结构和功能稳定性的生物溶剂——“小分子渗透剂”的作用来实现。

文章围绕以下2个科学问题对渗透剂的适应性变化展开讨论：首先，渗透剂系统中的生物大分子稳定性是否随着适应温度及短期驯化影响的变化而发生改变；其次，在调节渗透剂系统的稳定性时，适应性变化是否包含渗透剂类型的改变，以及渗透剂绝对或相对浓度的变化，抑或是这两种策略的有机结合。

相关研究结果支持以下4个结论：（1）对于多数海洋生物而言，细胞内有机渗透剂能够维持（或恢复）生物大分子刚性（Rigidity）和柔性（Flexibility）的最佳平衡，而这种平衡是生物大分子实现功能最优化的关键。（2）生物的适应性变化，改变了其体内渗透剂的组成和浓度，可能会对生物大分子和生物膜系统产生影响，并在生物建立最佳环境耐受范围中发挥重要作用。（3）发挥稳定化作用的渗透剂，在如何有效增强生物大分子稳定性的机理层面存在巨大差异，高温和高静水压力有利于中温生物体内稳定化渗透剂的积累。（4）渗透剂系统稳定化作用的精细调节机制，有助于生物在面对不同时期的体温变化时对最适温度和热耐受范围的充分调控。

文章为系统探索渗透剂在海洋生物应对非生物胁迫过程中的进化和适应机制提供了新的思路和理论框架。

George Somero教授为文章的第一作者和通讯作者。

Fig. 1 The effects of TMAO and urea on the rate of labeling of sulfhydryl groups of glutamate dehydrogenase by the reagent 4-chloro-7-nitrobenzofurazan (Nbf-Cl)

Fig. 2 Efficacies of differently methylated forms of glycine in offsetting salt-induced inhibition (300 mol/L NaCl) of an enzyme (malate dehydrogenase from barley)

Fig. 3 The efficacies of different organic osmolytes in stabilizing the structures of malate dehydrogenase (MDH) and staphylococcal nuclease (SNase)

Fig. 4 The effects of TMAO, urea, and KCl concentration on the stability of an RNA thermometer

Fig. 5 A Depth-related concentrations of TMAO in skeletal muscle of marine bony fishes belonging to 9 families. B Depth-related patterns of urea and TMAO concentrations in skeletal muscle of 15 species of marine chondrichthyan fishes (sharks, skates, chimeras, and rays)

Fig. 6 The effects of bovine serum albumin (BSA) concentration on the thermal stability (upper panel) and catalytic activity (lower panel) of the mitochondrial paralog of malate dehydrogenase (mMDH)

作者简介

George Somero，美国科学院院士，斯坦福大学教授，海洋生理生态学领域最为著名的科学家之一。先后在Scripps海洋研究所、加州大学圣地亚哥分校、俄勒冈州立大学和斯坦福大学从事科学研究。Somero教授曾是Science和PNAS等期刊编委会成员；国际著名海洋研究机构Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI)理事会成员；曾任美国国家研究委员会（National Research Council）海洋学委员会、海洋保护区委员会、极地研究委员会和海洋酸化研究委员会等委员会委员。在Science、Nature、PNAS等期刊发表论文300余篇，被引频次超过3万次，h-index 89。