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新创 5-04 16:25

瑞士发现了让苍蝇绝后的基因,过程复杂到看不懂

很多时候,细菌对昆虫的感染呈现出“重男轻女”的现象,即受到感染的雌性,她们的儿子们通常会死亡,但女儿们往往安然无恙。这是怎么回事?

道理并不复杂,因为细菌可以附着于雌性卵子上传播,却无法被精子携带,这就意味着这些雄性后代不仅不能帮助传播细菌,还会与雌性宿主争食,进一步挤占细菌的生存空间。那么为了永绝后患,最简单直接的办法就是把这些雄性后代都杀光。

(图片来自:Wikipedia

然而,想法是很好,但具体实施起来却是个问题,怎样才能确保杀死的都是雄性宿主,而不误伤到雌性?有两位瑞士研究人员凭借着严谨的态度和一点运气,发现了一种细菌在“性别歧视杀人”方面的神操作。

历史上很多伟大的发现总少不了巧合,Harumoto 和 Lemaitre 的发现经过也有些运气的成分。他们研究的是一种叫作 Spiroplasma poulsonii 的细菌,它们寄生于苍蝇当中,并通过虫卵传播并杀死雄蝇。

他们在研究过程中发现,有一些被感染的雄蝇竟然存活了下来。换作是别人,可能就会以为是实验操作出现失误,把这些样本一丢了之。但无数事实告诉我们,成功者之所以能成功,往往就在于他们比别人多走了一步。

Harumoto 和 Lemaitre 对这些存活下来的雄蝇与原始菌株进行了基因测序,发现了其中的奥妙。通过对比,他们找到了一个可疑的基因,在变异的菌株中,该基因有一大块缺失。

为了确认这个基因就是导致雄蝇死亡的罪魁祸首,研究人员把它复制了一份,插入了苍蝇的基因中,不出所料,苍蝇果然没活下来,而且死亡过程与其他被感染的苍蝇类似,都是大量的细胞死亡伴随着神经系统崩溃。

(图片来自:《自然》杂志

研究人员将这个基因命名为“S. poulsonii androcidin”。这当然不是随便起的名字,poulsonii 是原本的细菌名的一部分,androcidin 中的“andro”是雄性的意思,“cindin”则来自“杀人犯”(homicide)一词,我们姑且称之为“雄性杀手”好了。

这个基因的特别之处在于,它有一半是负责编码蛋白质,令其与其他蛋白质相互作用,这是我们熟悉的基因的作用,把该片段删除后插入雄蝇体内,就没有出现死亡的情况,表示它是起关键作用的片段。

另一半就比较罕见了,它的作用更像是催化剂。学过生物和化学的人都知道,催化剂并不会改变反应的结果,只是会加快(或减慢)反应速度。而实验结果也证明,将这部分基因删除后,雄蝇照常死亡,但存活的时长大为增加。

再回到我们前文提到的那些对 Spiroplasma poulsonii 细菌有了耐受性的雄蝇,他们身上的变异菌株正是由于这个特殊基因的缺失而丧失了致命性。

但由于起到催化作用的部分基因,与人们此前研究过的基因编码蛋白质领域可以说是大为不同,因此目前仍很难判定其他雄蝇的死亡到底是因为其余蛋白质保留了一些活性,亦或是细菌本身有多种“杀蝇”手段。

安能辨我是雄雌?

还有一个问题是,这些细菌又是如何分别宿主雌雄的呢?

首先,苍蝇和人类一样,也是由 XY/XX 染色体决定性别的。

我们人类男女之间 X 染色体数量的差异,是通过使女性其中一条 X 染色体失活来补偿的,而苍蝇则是通过提高雄性唯一的 X 染色体上的基因活性来补偿这种由于 X 染色体数量不同产生的差异,这在生物学上叫做“剂量补偿作用”。

这种补偿作用有赖于雄性 X 染色体上的一组蛋白质形成的复合物。借助荧光标记法,Harumoto 和 Lemaitre 发现,前文提到的“可疑”病菌基因能导致某种蛋白质附着在雄性 X 染色体上。

于是,他们改造了雌蝇的基因结构,令其也能也合成同样的复合物,并用 Spaid 细菌进行测试,结果显示这种蛋白质复合物也会像在雄性身上一样,附着到雌性的 X 染色体上,并最终导致雌蝇死亡。这也许可以证明,这些细菌蛋白质可能与雄蝇体内的某个关键细胞功能有关。

目前可以确定的是,spaid 蛋白质有两个已知部分是需要被定位于 X 染色体上的,一个被导入细胞核,另一个则被导入 X 染色体。

至于蛋白质是如何从细菌中被合成并导入宿主细胞的,还需要进一步研究,但总的来说,它揭示了寄生虫如何利用有机体本身的基本活动进行复制,最终达到传播的目的。

细菌感染的“性别歧视”在实际生产中可是大有作为。

比如 MosquitoMate 公司就把感染了 Wolbachia pipientis 细菌的雄性蚊子(不叮咬人类)与雌性亚洲虎蚊(叮咬人类)的野生种群交配,利用父本染色体在细菌作用下不能正常形成,公蚊受精卵不会孵化的原理,达到了灭蚊目的。

说不定 Harumoto 和 Lemaitre 的研究成果,未来也可以用于给苍蝇做“绝育手术”。

题图来自:ARS TECHNICA

参考材料:https://arstechnica.com/science/2018/05/researchers-find-a-gene-that-lets-bacteria-kill-all-male-flies/

论文原文:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0086-2

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