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Cell颠覆三观:细菌,竟然是一种能够诱导交配行为的——“春药”!?

http://www.cphi.cn   2017-09-14 09:39 来源:转载

加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和哈佛医学院的科学家发现,细菌竟然可以作为一种“春药”,促进一种单细胞真核生物——领鞭虫类进行有性繁殖。

       在地球生物漫长的进化之路中,单细胞生物是如何演变成多细胞生物的?有性繁殖又是怎样出现的?这是个两个十分有趣的问题。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和哈佛医学院的科学家在研究前者时,意外地找到了后者的答案。而且,结果令人十分震惊:细菌竟然可以作为一种“春药”,促进一种单细胞真核生物——领鞭虫类(choanoflagellates,a.k.a. choanos)进行有性繁殖。这一研究发由UC Berkeley的Nicole King教授和哈佛医学院的Jon Clardy教授发表在8月31日的Cell期刊上。

       这一发现可能有助于揭示人类和其他动物是如何在过去6亿年间从单细胞生物进化而来的。

       细菌诱导领鞭虫聚集和交配

       领鞭虫是一类原生生物,也是和动物最接近的单细胞生物。领鞭虫是一种在实验室中常被用来研究动物进化起源的模式生物。尽管在海洋中无处不在,领鞭虫类仍然是个相对神秘的领域,这也是King十多年来一直关注该领域的原因之一。2008年,她和团队首次测序了一个领鞭虫类Monosiga brevicollis的基因组。几年前, King教授的实验室发现,某些细菌会使这些单细胞领鞭虫发展成为多细胞群落。

       领鞭虫S. rosetta由费氏弧菌诱导的聚集和交配。Tubulin标记为金色荧光,突出胞体和鞭毛;actin标记为蓝色荧光,显示出该生物独特的“衣领”结构。图片来源:Nicole King

       单细胞生物间的群集现象通常发生在有性繁殖之前,因为它迅速地增加了某一小区域内的生物密度。但是在正常情况下,两个领鞭虫自发相遇并交配的情况十分罕见。研究人员利用基因分型确定了这种聚集确实是一种交配行为,而非仅仅是“黏附”或细胞融合,这证实了单细胞生物从无性行为到有性行为的改变。

       具体来说,研究发现,生物发光的海洋细菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)触发了领鞭虫类 Salpingoeca rosetta聚集和交配。

       正常情况下(A)领鞭虫S. rosetta均匀分布,在暴露于费氏弧菌30分钟后,领鞭虫开始聚集。图片来源:Cell

       有时候,交配是对环境变化的响应。

       “很多进化理论都赞同这样的观点,即交配可能会发生在压力条件下,因为你需要将遗传信息重新洗牌。通过有性繁殖,你将有望获得一种新的等位基因组合,这种组合对即将出现的情况可能有更强的适应性。”King说。

       “领鞭虫类在它们的生命周期中有很大的灵活性。它们可以进行无性繁殖,但现在我们发现它们也能进行有性繁殖,而且这种有性繁殖行为能够由在细菌中暴露一小时后触发。”King说。

       这一新发现表明,其他生物,比如一些在实验室中由于不能交配而难以研究的生物,可能需要一种细菌“春药”来诱发它们交配。King补充道:“这些动物可能需要来自环境细菌的特定线索,这在实验室中往往是没有的。”

       图片来源:Cell

       细菌分泌诱导有性繁殖的蛋白EroS

       在UC Berkeley的研究生Arielle Woznica发现这些细菌诱导领鞭虫聚集后,他们与Clardy的实验室合作找到了诱发因子:一种由细菌不断分泌的蛋白质,研究人员将其命名为EroS。(注:EroS是希腊神话中的爱欲之神,他在罗马神话中对应的名字——丘比特可能更加广为人知)

       研究人员发现,EroS是一种软骨素酶,这种酶会降解一种特定类型的硫酸盐分子,后者存在于S. rosetta的细胞外基质中,之前被认为是动物独有的。他们还发现,如果这种酶的功能被抑制,那么就不会发生聚集现象,而其他水生细菌的软骨素酶也会产生“春药”效应。随着团队研究EroS的工作原理,他们将继续探索细菌和领鞭虫类之间的相互作用。

       那么,这一研究结果是否对动物也能产生一些影响呢?比如——人类和他们的细菌伙伴——肠道微生物。King说,“我们希望通过研究相对简单的领鞭虫,可以识别关键分子,然后进入肠道微生物组这样更加复杂的环境,观察这些分子在这种环境下的作用。”

       “通过展示一种新型的细菌诱导的行为,我们可以激励其他人去观察一下他们所研究的系统,看看他们是否错过了细菌在那里扮演的角色。”共同第一作者,哈佛医学院的博士后研究员Joseph Gerdt说。

       

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