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                    “連體夫妻”百年之謎獲解

                    來源:科學 作者:ThomasBoehm
                    發布于:2020-09-01 共2142字

                      你可能在動畫片《海底總動員》中看到過琵琶魚,一條面目猙獰、會發光的深海怪魚.雌魚的額頭上有一個發光部位,看上去像一根掛了燈泡的桿子,里面生活著發光細菌.這些發光體會把獵物和潛在的配偶都吸引到它們身邊.

                      實際上,這些都不算什么,令人難以置信的是琵琶魚的繁殖策略:雌魚和雄魚"血肉融合"、共榮共生.這種不同尋常的現象被稱為"性別寄生".

                      自冰島生物學家1920年發現第一對"連體夫妻"魚以來,"性別寄生"現象成為一個存在了100年的謎.現在,德國和美國科學家已經解決了這個百年難題,相關論文刊登于《科學》.

                      "部分原因是,很難收集到保存足夠完好的組織進行必要的研究."該研究通訊作者、馬普學會免疫生物學和表觀遺傳學研究所所長Thomas Boehm在接受《中國科學報》采訪時說.

                      研究人員測序了冷凍組織標本DNA,這些標本涵蓋了廣泛的非附著性、暫時附著性和永久附著性的琵琶魚物種.研究人員發現,與未進行附著融合的物種相比,融合物種在關鍵免疫系統基因的組成和結構上出現了巨大變化.這使得研究人員對免疫系統有了更深入了解,有助于開發適用于免疫缺陷患者的療法.

                      夫妻"一體"

                      琵琶魚又稱鮟鱇,目前已知有168種,它們棲息在300米以下的海洋深處,并進化出一些顯著的適應能力,其中最讓人側目的是它們的夫妻相處之道.人們剛發現這種生物時,感到驚訝的是幾乎所有的魚都是雌魚.而且雌魚身上幾乎都長有奇異的"腫塊".后來,人們發現這些"腫塊"正是雄魚.

                      為了生存,雄琵琶魚在遇到雌魚時,會咬住雌魚,進而與其結合在一起.這些雄魚通常身長不足10毫米,依附在體形較大的雌魚身上,并通過這種性別寄生進行交配.

                      對于某些種類的琵琶魚來說,這種依附是暫時的,另一些則是永久性的:兩條魚的皮膚組織融合,最終它們的循環系統連接起來,真正成為"一體"夫妻.

                      研究人員表示,雌魚和雄魚的永久結合代表了一種解剖學上的結合,這除了在基因同卵雙胞胎中罕見地發生外,在自然界中幾乎是未知的.免疫系統就是一道普通的障礙,它會像破壞被病原體感染的細胞一樣攻擊外來組織.

                      但是,雌魚的免疫系統為何對"外來入侵者"視而不見呢?

                      用免疫換生存

                      在其他脊椎動物中,組織融合會引發顯著的免疫反應,這就是人們在接受器官移植后必須服用免疫抑制藥物的原因.Boehm一直想知道琵琶魚是怎么做到的.

                      幾年前,Boehm和琵琶魚專家、西雅圖華盛頓大學的Theodore W. Pietsch著手研究不同琵琶魚物種的基因組.

                      他們研究了主要組織相容性(MHC)抗原的結構.這些分子存在于人體細胞表面,當細胞被病毒或細菌感染時,它們會向免疫系統發出警報信號.為了確保所有病原體都能被有效識別,MHC分子的多樣性非常高,以至于很難在同一物種的任何兩個個體中找到相同或近乎相同的形式.這一特性也是人體器官和骨髓移植的組織匹配問題的根源.

                      研究人員分析了來自10個物種的31個琵琶魚標本的DNA,發現融合的琵琶魚物種缺少關鍵的免疫系統基因.研究人員表示,永久附著的琵琶魚編碼這些MHC分子的基因很大程度上失去了獨立性,就好像它們為了組織融合而放棄了免疫識別.

                      "除了這種不尋常的MHC基因組合,我們發現在器官排斥過程中,通常積極清除受感染細胞或攻擊外來組織的殺傷T細胞的功能也被嚴重削弱.這些發現暗示了琵琶魚的免疫系統在成千上萬種脊椎動物中是很不尋常的."該研究第一作者、馬普學會免疫生物學和表觀遺傳學研究所的Jeremy Swann說.

                      在這些意想不到的發現之后,科學家懷疑琵琶魚免疫系統的重組可能比預期的更廣泛.事實上,進一步研究表明,抗體--免疫防御武器庫中的第二有力武器--在一些琵琶魚物種中也消失了.

                      于是,研究人員得出結論,這些動物利用改進了的先天機能保護自己不受感染,這是一個意想不到的辦法.事實上,到目前為止,人們認為,一旦在進化中形成后天免疫和先天免疫的伙伴關系后,就不可能擺脫這種關系,否則會造成嚴重后果.因此,這項研究表明,盡管先天免疫功能和適應性功能在幾億年間協同進化,脊椎動物仍然可以在沒有適應性免疫功能的情況下生存,而此前人們認為適應性免疫功能是不可替代的.

                      第三種寄生

                      除了"丈夫"外,琵琶魚與發光細菌也是共生關系.另一組研究人員之前曾發現,這些細菌已經失去了在水中自由生存所需要的一些基因.相關論文發表于mBio.

                      康奈爾大學微生物學家、該論文主要作者Tory Hendry說:"特別有趣的是,證據表明,這種進化仍在進行中,細菌仍然在丟失基因,原因還不清楚."

                      大多數已知的生物體和細菌之間的共生關系,要么是宿主和無法進化到維持共生關系的自由生存的細菌,要么是宿主和細胞內細菌--它們生活在宿主細胞內,并在進化過程中大量減少基因組.

                      而琵琶魚與細菌代表了第三種共生關系,初步數據表明,這些細菌可能從琵琶魚轉移到水中."這是共生關系的一個新范例,細菌實際上并沒有被宿主困住,但它們又正在進化."Hendry告訴記者.

                      基因測序顯示,這些發光細菌的基因組比它們自由游動的親戚減少了50%,并已經失去了大部分與制造氨基酸和分解葡萄糖以外營養物質有關的基因.與此同時,它們有完整的路徑形成鞭毛-- 一個在水中移動的螺旋狀尾巴.

                      另一方面,Boehm等人相信,他們甚至捕獲了一種正在發展成性別寄生的魚類.Pietsch說:"我們發現在這種魚中,不同尋常的繁殖方式被獨立地'發明'了好幾次,這是很值得注意的."

                      但是,它們如何進化出這些繁殖方式尚不得而知."非常復雜,需要更多的研究."Boehm說.(來源:中國科學報 唐鳳)

                      相關論文信息:

                      http://dx.doi.org/10.1126/science.aaz9445

                      http://dx.doi.org/10.1128/mBio.01033-18

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