卤虫属丰年虾是小型甲壳类动物，可以在钠浓度高达 25%(是典型海水的八倍以上)的环境中繁衍生息。这些动物也被称为家喻户晓的宠物商标“海猴”，它们在内陆盐湖中大量存在，而丰水蝇幼虫是已知存在的唯一其他动物。

丰年虾能够耐受某些最恶劣环境的机制目前尚不完全清楚。先前已知的适应性特征包括紧密的保护层(珠被)以避免水分流失，以及通过幼虫颈部或成虫游泳附肢中的专门盐腺 增加钠(Na +)和氯(Cl - )离子的排出。

盐腺内壁是一种离子运输组织，其中大多数离子的运输由钠钾 ATP 酶 (NKA) 提供动力，NKA 是所有动物中都存在的一种重要蛋白质泵，由 α (α) 和 β (β) 形成) 亚基。大多数已知的 NKA 变体将三个 Na + 离子转运出细胞，以换取输入两个钾 (K + ) 离子。NKA 建立的Na + 梯度随后被细胞膜中的其他蛋白质用来运输其他物质。

一种丰年虾 NKA α 亚基变体随着盐度的上升而显着增加丰度。这种上调在盐度下是极端的，甚至盐水蝇幼虫(缺乏特殊的α亚基变体)都无法生存。为了更好地了解这种变体为丰年虾在极端盐度下生存的能力提供的优势，德克萨斯理工大学健康科学中心 (TTUHSC) 医学院细胞系的 Pablo Artigas 博士领导的研究小组生理学和分子生物物理学 (CPMB) 和膜蛋白研究中心检查了盐度引起的变化以及上调的 NKA 变体的结构和功能。

研究团队包括 Artigas 的 CPMB 和膜蛋白研究中心实验室成员 Dylan J. Meyer 博士、Victoria C. Young 博士、Kerri Spontarelli 和 Jessica Eastman;以及来自伊利诺伊州立大学的合作者 Evan Strandquist 和 Craig Gatto 博士;来自芝加哥大学的 Huan Rui 博士和 Benoit Roux 博士;Matthew A. Birk 博士，来自圣弗朗西斯大学(宾夕法尼亚州);和来自名古屋(日本)大学的 Hanayo Nakanishi 博士和 Kazuhiro Abe 博士。

他们的研究(“在极端盐度下丰年虾会上调化学计量减少的钠泵”)于 12 月发表在《美国 国家科学院院刊》(PNAS)上。该研究由美国国家科学基金会资助。

在开始结构功能研究之前，研究人员发现丰年虾具有三种α变体(而不是之前已知的两种)和两种β变体(而不是一种)。α 亚基包含 NKA 功能所需的大部分蛋白质成分，而 β 亚基是 NKA 到达质膜所必需的，NKA 位于质膜上以发挥正常功能。上调的 NKA 亚基被称为 α2 KK ，因为它有两个氨基酸取代，其中赖氨酸(单字母代码 K 表示的带正电残基)取代了钠离子和钾离子所在区域的天冬酰胺(极性中性残基)运输过程中绑定。

研究小组解析了 α2 KK的结构，揭示了两个 NKA-α2 KK赖氨酸的定位方式可以让它们改变 泵每个周期输送的Na + 和 K +离子 的数量。研究小组随后证明，含有双赖氨酸的 NKA 的行为类似于 α2 KK，然后证明这些含有赖氨酸的 NKA 变体以不同的化学计量进行运输： 每个K + 对应两个Na + ，而不是每个 K + 对应两个 Na +循环。化学计量是化学反应或过程中反应物和产物之间比率的计算。

这种独特的化学计量意味着这种特殊的 NKA 变体比标准(普遍认可的)NKA 使用更多的能量来运输 Na + 和 K +。阿蒂加斯说，想象为什么这很重要的一种方法是将梯度视为高度，并将钠离子视为需要提升到该高度的砖块。您也许可以同时从地板上举起三块砖，但可能只能举起几英寸。如果您需要将它们举起距地面六英尺，一种解决方案可能是将一块砖分开举起三次。另一个类比可能是在上坡时需要降低汽车的档位，以速度换取动力并使用更多的汽油来移动。

“换句话说，当动物生活在极端盐度下时，Na + 梯度如此之高，以至于一个 ATP 分子中可用的能量不足以移动三个 Na + 离子，但足以移动两个，”Artigas 说。“因此，我们的结果表明，这两种赖氨酸如何有助于产生化学计量减少的泵，从而使这些丰年虾能够在高盐环境中保持更陡峭的 Na +梯度。这种独特的适应能力使丰年虾能够建立并维持恶劣环境所施加的更大的Na + 电化学梯度。”

Michael Wiener 博士、TTUHSC 教授、CPMB 主席、膜蛋白研究中心联席主任表示，这篇论文描述了 Artigas 实验室团队及其国内外合作者所完成的真正杰出的基础科学。

“除了这项工作本身之外——深入了解生命所必需的钠分子泵如何在生活在高盐(氯化钠)环境中的生物体中发挥作用——对生物体的适应和引入还有进一步的影响。由于气候变化，湖泊、池塘、溪流和河流等环境中的新生物体随着时间的推移变得越来越咸，”维纳说。

当被问及丰年虾研究的下一步是什么时，阿蒂加斯表示，盐通过上皮细胞的运输不仅仅是 NKA 的工作;其他转运蛋白与 NKA 协调参与该过程。考虑到这一点，阿蒂加斯团队目前正在完成研究，以鉴定这些蛋白质，并表明它们对于高盐度适应过程至关重要。

阿蒂加斯说：“与揭示基本生物学原理的研究问题本身一样令人兴奋，我更热衷于开发丰年虾用于教育目的的可能性。” “丰年虾非常容易生长，它们的适应机制包括其他很酷的特征，例如包囊休眠阶段(隐生)的存在，能够耐受更恶劣的条件，例如干燥和缺氧。我们目前正在与利特菲尔德高中的生物老师杰西卡·D·托马斯合作，将丰年虾开发成动物模型，用于实践体验式科学学习。”