《Cell》刊登美科学家最新发现,或揭秘 6 亿年生物进化史

来源:DeepTech 深科技 / 作者: / 2017-09-08
0 5 511

“愉悦是短暂的,姿势是滑稽的,代价是昂贵的”。在动物世界版“五十度灰”《性别战争》一书中,这句话被用来描述动物的有性生殖。

我们都知道,人与绝大多数的动物都是由真核细胞演化而来的。但是,真核生物究竟是如何开始出现有性生殖的,这个问题一直长期困扰着生物学家们。那么,如果问题的关键其实是那些我们肉眼不可见的细菌呢?

是的,能够调控真核生物交配的细菌已经浮出水面!

近日,来自美国的科学家们意外发现海洋发光细菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)可以通过分泌“催情”蛋白,诱导领鞭毛虫目(choanoflagellate,choanos)进行有性生殖。该项研究由来自加州大学伯克利分校的 Nicole King 团队及哈佛医学院的 Jon Clardy 团队共同完成,相关文章发表在 8 月 31 日的《细胞》杂志上。

这一发现将有助于揭示人类和其他动物在过去 6 亿年中是如何从单细胞生物演化而来,我们完全有理由怀疑,正是细菌促成了真核生物史上第一次的“生命大和谐”。

图丨费氏弧菌

在这里,DT 君必须先介绍一下此次被“控制”交配的领鞭毛虫。原生生物是指真核生物中,动物、植物、真菌之外的生物,一般个体微小,多为单细胞生物,而领鞭毛虫就是其中的一种,同时也是和动物最相近的单细胞生物。

在外形上,每条领鞭毛虫都有一条鞭毛,由一圈充满肌动蛋白、叫作微绒毛的突出物环绕,在鞭毛外形成了一圈圆柱状或椎状的“衣领”。 其鞭毛的移动可透过“衣领”抽水,细菌及碎屑会被微绒毛捕获,然后被领鞭毛虫进食。这种生物还有一个神奇的特质:虽然是单细胞生物,但在某些特殊情况下,领鞭毛虫也可以聚集成多细胞的群落。

图丨正在交配的领鞭毛虫

也这是这一神奇特质,让科学家们从一个无心之为中挖出了细菌“催情剂”这个大秘密!

几年前,Nicole King 的博士生 Arielle Woznica 偶然将费氏弧菌加入领鞭毛虫中时,奇怪的现象发生了——大量的领鞭毛虫聚集在一起,形成多细胞群落,这正是领鞭毛虫交配的前奏。

要知道,这个现象在自然界中的领鞭毛虫身上是极难发生的,领鞭毛虫并不是一种“擅长”有性生殖的单细胞生物。但是,当它们聚集在一起,单位面积的密度迅速增加,科学家猜测是有性生殖。

于是,在 Arielle Woznica 发现这一现象后,她的导师 Nicole King 为了验证这不是单纯的细胞粘连或是融合,领导完成了相关的基因测序工作。他们发现领鞭毛虫后代发生了基因重组——而这正是有性生殖的标志性特点。

也就是说,领鞭毛虫在生殖方式上从无性到有性的变化真正“坐实”了。

图 丨左:阴性对照,右:加入费氏弧菌的领鞭毛虫快速聚集成多细胞群落。

注:由于其简单的结构和与动物亲密的亲缘关系,领鞭毛虫常被用来当做研究进化的模式生物,另一种海洋细菌费氏弧菌则被用作阴性对照(negative control,这一概念是针对“预期结果”提出的,凡是肯定不会出现预期结果的组,为阴性对照组)

在这一发现对于 Nicole King 来说简直是一个天大的惊喜,这位细胞生物学家和遗传学家“钟情”于对领鞭毛虫的研究已经长达十余年:2008 年,Nicole King 就参与了首个领鞭毛虫目的基因组测序工作,2012 年,她的团队发现细菌诱导的领鞭毛虫多细胞化行为。

尽管领鞭毛虫在海洋中十分普遍,但它依旧神秘。其中,这种生物能否进行有性生殖就是一个未解之谜。直到 2013 年,King 和她的团队发现饥饿可以诱发领鞭毛虫的有性生殖行为——但只有很少一部分。

图丨 Nicole King

而这次的研究中,费氏弧菌引发了范围更广、程度更大、速度更快的领鞭毛虫交配。“领鞭毛虫的生活方式很灵活,它们可以一直通过无性进行繁殖,现在我们发现他们同样进行有性生殖,而且整个转换过程只需要不到一个小时,” King 说到。

图丨费氏弧菌诱导领鞭毛虫交配示意图

由于不同种类的细菌需要从环境中获取不同的养分,因而领鞭毛虫极有可能将细菌当做是“时机”指示剂。毫无疑问,这次费氏弧菌传递的消息是“交配”,而其中的“催情剂”便是费式弧菌分泌的蛋白——EroS(是的,富有创造力的科学家们以“爱神厄洛斯”为这种新发现的蛋白命名)。

EroS 是一种软骨素酶(chondroitinase),可以降解领鞭毛虫细胞外基质的一种特殊硫化分子。当 EroS 的功能被抑制时,领鞭毛虫的聚集行为不再发生,而当其他水生细菌提供 EroS 时,催情剂的效果再次出现了。

“我原以为‘催情剂’只是性生物素那种小分子,所以当发现它是 EroS 这个庞然大物时,真的让我很震惊。”来自哈佛医学院的生物化学家 Jon Clardy 的惊喜溢于言表。

而这个研究结果也给以前未成功的实验提供了新思路——也许正是由于缺少类似这种细菌产生的“催情剂”,以往实验室培养的生物才无法自主交配。出于研究目的,科学家们往往需要在实验室里培养一些原生生物或者是很初等的真核生物,但大多数情况下他们无法在实验室里让这些生物材料繁殖下去,最后只能采取野外收集的方法。“也许这些动物需要从周围环境的细菌身上获得线索,而实验室却并没有提供”,研究人员说。

未来,研究团队还会将对 EroS 一类的软骨素酶是如何诱导领鞭毛虫交配进行更细致的研究,同时,细菌产生的某种蛋白可以影响真核生物交配,这个实验思路也有望拓展到人类及其细菌朋友——肠道微生物群中。

要知道,肠道微生物对人体健康的影响是近年来研究的热门领域之一,大量的研究表明肠道微生物对于机体健康具有重要的作用:调控神经系统影响情绪,调节新陈代谢影响体重,模拟人体细胞交流信号控制血糖……借助此次实验思路,科学家们还可能在未来解锁肠道微生物群的更多功能。

“我们通过对领鞭毛虫这种简单生物的研究,可以确定其中发挥作用的关键分子,再将其应用在更为复杂的肠道微生物菌群研究中,用来验证这些分子在其他环境下是否也具有相同的作用,” King 说到。

尽管未来研究还有很长的路要走,毫无疑问 EroS 功能的发现揭开了细菌在诱导真核生物有性生殖方面研究的序曲。

从地球生命演化情况来看,有性生殖似乎总是在进化的竞赛中胜过无性生殖,复杂的有性繁殖有可能也是引发真核细胞进化的最主要原因。

从“清道夫”、“破坏者”到“催情大师”,细菌在人类进化中的重要角色或许又将会多了一个。如果越来越多的研究者将把目光投向这里,或许我们还会有更多意想不到的新发现。

关注微信公众号(bio360),定时推送,福利互动精彩多
10

参与评论

登录后参与评论

评论

换一换

广东省的护士可以吗?

这是真的吗?什么时候上市

希望对腺泡状肉瘤有效

期待加等待。

 关注生物360微信

关注生物360微信