“愉悅是短暫的，姿勢(shì)是滑稽的，代價(jià)是昂貴的”。在動(dòng)物世界版“五十度灰”《性別戰(zhàn)爭(zhēng)》一書(shū)中，這句話被用來(lái)描述動(dòng)物的有性生殖。
《性別戰(zhàn)爭(zhēng)》
愉悅是短暫的，姿勢(shì)是滑稽的，代價(jià)是昂貴的。
我們都知道，人與絕大多數(shù)的動(dòng)物都是由真核細(xì)胞演化而來(lái)的。但是，真核生物究竟是如何開(kāi)始出現(xiàn)有性生殖的，這個(gè)問(wèn)題一直長(zhǎng)期困擾著生物學(xué)家們。那么，如果問(wèn)題的關(guān)鍵其實(shí)是那些我們?nèi)庋鄄豢梢?jiàn)的細(xì)菌呢？
是的，能夠調(diào)控真核生物交配的細(xì)菌已經(jīng)浮出水面！
近日，來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家們意外發(fā)現(xiàn)海洋發(fā)光細(xì)菌費(fèi)氏弧菌（Vibrio fischeri）可以通過(guò)分泌“催情”蛋白，誘導(dǎo)領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)目（choanoflagellate，choanos）進(jìn)行有性生殖。該項(xiàng)研究由來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的 Nicole King 團(tuán)隊(duì)及哈佛醫(yī)學(xué)院的 Jon Clardy 團(tuán)隊(duì)共同完成，相關(guān)文章發(fā)表在8月31日的《細(xì)胞》雜志上。
這一發(fā)現(xiàn)將有助于揭示人類和其他動(dòng)物在過(guò)去6億年中是如何從單細(xì)胞生物演化而來(lái)，我們完全有理由懷疑，正是細(xì)菌促成了真核生物史上第一次的“生命大和諧”。
在這里，DT君必須先介紹一下此次被“控制”交配的領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)。原生生物是指真核生物中，動(dòng)物、植物、真菌之外的生物，一般個(gè)體微小，多為單細(xì)胞生物，而領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)就是其中的一種，同時(shí)也是和動(dòng)物最相近的單細(xì)胞生物。
在外形上，每條領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)都有一條鞭毛，由一圈充滿肌動(dòng)蛋白、叫作微絨毛的突出物環(huán)繞，在鞭毛外形成了一圈圓柱狀或椎狀的“衣領(lǐng)”。 其鞭毛的移動(dòng)可透過(guò)“衣領(lǐng)”抽水，細(xì)菌及碎屑會(huì)被微絨毛捕獲，然后被領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)進(jìn)食。這種生物還有一個(gè)神奇的特質(zhì)：雖然是單細(xì)胞生物，但在某些特殊情況下，領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)也可以聚集成多細(xì)胞的群落。
也這是這一神奇特質(zhì)，讓科學(xué)家們從一個(gè)無(wú)心之為中挖出了細(xì)菌“催情劑”這個(gè)大秘密！
幾年前，Nicole King的博士生 Arielle Woznica 偶然將費(fèi)氏弧菌加入領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)中時(shí)，奇怪的現(xiàn)象發(fā)生了——大量的領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)聚集在一起，形成多細(xì)胞群落，這正是領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)交配的前奏。
要知道，這個(gè)現(xiàn)象在自然界中的領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)身上是極難發(fā)生的，領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)并不是一種“擅長(zhǎng)”有性生殖的單細(xì)胞生物。但是，當(dāng)它們聚集在一起，單位面積的密度迅速增加，科學(xué)家猜測(cè)是有性生殖。
于是，在Arielle Woznica 發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象后，她的導(dǎo)師Nicole King 為了驗(yàn)證這不是單純的細(xì)胞粘連或是融合，領(lǐng)導(dǎo)完成了相關(guān)的基因測(cè)序工作。他們發(fā)現(xiàn)領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)后代發(fā)生了基因重組——而這正是有性生殖的標(biāo)志性特點(diǎn)。
也就是說(shuō)，領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)在生殖方式上從無(wú)性到有性的變化真正“坐實(shí)”了。
圖 丨左：陰性對(duì)照，右：加入費(fèi)氏弧菌的領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)快速聚集成多細(xì)胞群落。
注：由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和與動(dòng)物親密的親緣關(guān)系，領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)常被用來(lái)當(dāng)做研究進(jìn)化的模式生物，另一種海洋細(xì)菌費(fèi)氏弧菌則被用作陰性對(duì)照（negative control，這一概念是針對(duì)“預(yù)期結(jié)果”提出的，凡是肯定不會(huì)出現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的組，為陰性對(duì)照組）
在這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于Nicole King來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是一個(gè)天大的驚喜，這位細(xì)胞生物學(xué)家和遺傳學(xué)家“鐘情”于對(duì)領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)的研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)十余年：2008 年，Nicole King 就參與了首個(gè)領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)目的基因組測(cè)序工作，2012 年，她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌誘導(dǎo)的領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)多細(xì)胞化行為。
盡管領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)在海洋中十分普遍，但它依舊神秘。其中，這種生物能否進(jìn)行有性生殖就是一個(gè)未解之謎。直到 2013年，King 和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)饑餓可以誘發(fā)領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)的有性生殖行為——但只有很少一部分。
圖丨Nicole King
而這次的研究中，費(fèi)氏弧菌引發(fā)了范圍更廣、程度更大、速度更快的領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)交配。“領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)的生活方式很靈活，它們可以一直通過(guò)無(wú)性進(jìn)行繁殖，現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)他們同樣進(jìn)行有性生殖，而且整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程只需要不到一個(gè)小時(shí)，” King說(shuō)到。
圖丨費(fèi)氏弧菌誘導(dǎo)領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)交配示意圖
由于不同種類的細(xì)菌需要從環(huán)境中獲取不同的養(yǎng)分，因而領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)極有可能將細(xì)菌當(dāng)做是“時(shí)機(jī)”指示劑。毫無(wú)疑問(wèn)，這次費(fèi)氏弧菌傳遞的消息是“交配”，而其中的“催情劑”便是費(fèi)式弧菌分泌的蛋白——EroS（是的，富有創(chuàng)造力的科學(xué)家們以“愛(ài)神厄洛斯”為這種新發(fā)現(xiàn)的蛋白命名）。
EroS 是一種軟骨素酶（chondroitinase），可以降解領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)細(xì)胞外基質(zhì)的一種特殊硫化分子。當(dāng) EroS 的功能被抑制時(shí)，領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)的聚集行為不再發(fā)生，而當(dāng)其他水生細(xì)菌提供 EroS 時(shí)，催情劑的效果再次出現(xiàn)了。
“我原以為‘催情劑’只是性生物素那種小分子，所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)它是 EroS 這個(gè)龐然大物時(shí)，真的讓我很震驚?！眮?lái)自哈佛醫(yī)學(xué)院的生物化學(xué)家 Jon Clardy 的驚喜溢于言表。
而這個(gè)研究結(jié)果也給以前未成功的實(shí)驗(yàn)提供了新思路——也許正是由于缺少類似這種細(xì)菌產(chǎn)生的“催情劑”，以往實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的生物才無(wú)法自主交配。出于研究目的，科學(xué)家們往往需要在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)一些原生生物或者是很初等的真核生物，但大多數(shù)情況下他們無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室里讓這些生物材料繁殖下去，最后只能采取野外收集的方法?！耙苍S這些動(dòng)物需要從周圍環(huán)境的細(xì)菌身上獲得線索，而實(shí)驗(yàn)室卻并沒(méi)有提供”，研究人員說(shuō)。
未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)還會(huì)將對(duì) EroS 一類的軟骨素酶是如何誘導(dǎo)領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)交配進(jìn)行更細(xì)致的研究，同時(shí)，細(xì)菌產(chǎn)生的某種蛋白可以影響真核生物交配，這個(gè)實(shí)驗(yàn)思路也有望拓展到人類及其細(xì)菌朋友——腸道微生物群中。
要知道，腸道微生物對(duì)人體健康的影響是近年來(lái)研究的熱門領(lǐng)域之一，大量的研究表明腸道微生物對(duì)于機(jī)體健康具有重要的作用：調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)影響情緒，調(diào)節(jié)新陳代謝影響體重，模擬人體細(xì)胞交流信號(hào)控制血糖……借助此次實(shí)驗(yàn)思路，科學(xué)家們還可能在未來(lái)解鎖腸道微生物群的更多功能。
“我們通過(guò)對(duì)領(lǐng)鞭毛蟲(chóng)這種簡(jiǎn)單生物的研究，可以確定其中發(fā)揮作用的關(guān)鍵分子，再將其應(yīng)用在更為復(fù)雜的腸道微生物菌群研究中，用來(lái)驗(yàn)證這些分子在其他環(huán)境下是否也具有相同的作用，” King 說(shuō)到。
盡管未來(lái)研究還有很長(zhǎng)的路要走，毫無(wú)疑問(wèn) EroS 功能的發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了細(xì)菌在誘導(dǎo)真核生物有性生殖方面研究的序曲。
從地球生命演化情況來(lái)看，有性生殖似乎總是在進(jìn)化的競(jìng)賽中勝過(guò)無(wú)性生殖，復(fù)雜的有性繁殖有可能也是引發(fā)真核細(xì)胞進(jìn)化的最主要原因。
從“清道夫”、“破壞者”到“催情大師”，細(xì)菌在人類進(jìn)化中的重要角色或許又將會(huì)多了一個(gè)。如果越來(lái)越多的研究者將把目光投向這里，或許我們還會(huì)有更多意想不到的新發(fā)現(xiàn)。
-End-
校審：黃珊
參考：http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30930-3
https://phys.org/news/2017-09-bacteria-aphrodisiac-closest-relatives-animals.html
https://phys.org/news/2017-08-bacterial-protein-aphrodisiac-choanoflagellates.html#nRlv
https://zh.wikipedia.org/wiki/
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