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Cell:有趣!首次发现细菌“春药”促进真核生物交配

来源:本站原创 2017-09-09 10:02


图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2017.08.005。

2017年9月9日/生物谷BIOON/---科学实验有时会取得意料不到的发现。

对多细胞生物进化感兴趣的科学家们一直在寻找促进玫瑰花形领鞭毛虫(Salpingoeca rosetta)聚集在一起形成玫瑰花形群体(rosette-shaped colonies)的细菌。玫瑰花形领鞭毛虫是一种单细胞栖盐水虫,与动物具有最为密切的亲缘关系。但是,在一项新的研究中,来自美国加州大学伯克利分校和哈佛医学院的研究人员发现一种细菌具有一种不同的刺激效应:它促进玫瑰花形领鞭毛虫产生性行为。相关研究结果发表在2017年9月7日的Cell期刊上,论文标题为“Mating in the Closest Living Relatives of Animals Is Induced by a Bacterial Chondroitinase”。论文通信作者为哈佛医学院生物化学与分子药理学教授Jon Clardy和加州大学伯克利分校遗传学与发育助理教授Nicole King。

这是首次发现细菌诱导真核生物产生交配,从而潜在地为细菌如何影响植物和动物等真核生物的发育和行为提供新的认识。

论文共同第一作者、Clardy实验室研究员Joseph P. Gerdt说,“人们越来越认识到与细菌(如微生物组)共生的重要性,但是在此之前,我从未听到过细菌会诱导性融合。我认为通过展示一种细菌诱导的新行为,我们可能促使其他人查看一下他们研究的系统,并且观察一下他们是否可能错过发现细菌也在那里起着作用。”另一名论文共同第一作者是加州大学伯克利分校的Arielle Woznica。

这项研究也揭示出这种简单的玫瑰花形领鞭毛虫能够制造一种被称为软骨素(chondroitin)的分子。科学家们之前曾认为仅在进化树上靠后面的很多分支才能够做到这一点。

King一直在研究玫瑰花形领鞭毛虫,以便有助阐明人类和其他的多细胞生物如何由单细胞生物进化而来。在此过程中,她已揭示出细菌如何能够以出乎意料之外的方式影响玫瑰花形领鞭毛虫和其他的有机体。

King和Clardy之前就已合作证实玫瑰花形领鞭毛虫形成独特的华丽群体是由一种细菌蛋白触发的。

当King团队将一种被称作费舍尔弧菌(Vibrio fischerii)的生物发光海洋细菌添加到他们的玫瑰花形领鞭毛虫培养皿中时,没有玫瑰花形群体形成。Clardy说,相反,发生的事情是“引人注目的”:这些微小的玫瑰花形领鞭毛虫促进自我形成类似放荡的群体(每个群体由高达50个细菌组成),并且开始交配。

明显地,费舍尔弧菌分泌某种让玫瑰花形领鞭毛虫感到兴奋的物质。但是,它是什么呢?King将样品发送给擅长解决生化难题的Clardy实验室来寻找。

一系列测试将候选物质缩小到科学界之前并未知道的单个蛋白。这些研究人员将它称为EroS,即性胞外调节因子(Extracellular regulator of Sex)。

进一步的实验揭示出EroS是一种软骨素酶,即降解软骨素的酶。果然,当这些研究人员更深入观察时,他们发现玫瑰花形领鞭毛虫制造硫酸软骨素。

Gerdt说,“我们之前并不知道诸如玫瑰花形领鞭毛虫之类的领鞭毛虫(choanoflagellate)在它们的细胞编码中能够产生软骨素。这当然不是在一项理性的由假说驱动的研究中取得的。鉴于我们是意外发现这一点的,我们取得的这项全新发现改变了软骨素产生的进化时间表。”

阻断EroS会阻止玫瑰花形领鞭毛虫群集在一起进行交配,然而加入由其他的海洋细菌产生的软骨素酶则会重新激起这种交配狂欢。

鉴于这些研究人员证实了是什么导致这种交配,他们想要知道EroS如何准确地发挥作用,费舍尔弧菌为何制造一种促进玫瑰花形领鞭毛虫交配的分子,这种相同的现象是否在这些有机体的自然栖息地中发生。他们也正在开始研究细菌与玫瑰花形领鞭毛虫和它的近缘种发生相互作用的其他方式。

对Gerdt而言,这项研究的最为令人关注之处在于它有潜力阐明细菌共生的进化史和更加深刻地理解人类等有机体如今如何受到细菌的影响。

Gerdt说,“动物和玫瑰花形领鞭毛虫具有共同的祖先。如果我们更好地了解玫瑰花形领鞭毛虫如何与细菌相互作用---我们仅是初步了解这一点,那么我们能够开始比较动物如何与细菌相互作用。这就像是这些细菌-真核生物或者说细菌-动物相互作用如何开始的早期快照,因此我们能够试图更好地了解所有的这些共生关系如何发挥作用。”

Clardy说,这些发现在另一个水平上也是引人关注的,这是因为人精细胞使用一种与EroS存在“远亲关系”的酶,与卵子进行融合。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Arielle Woznica, Joseph P. Gerdt, Ryan E. Hulett et al. Mating in the Closest Living Relatives of Animals Is Induced by a Bacterial Chondroitinase. Cell, 7 September 2017, 170(6):1175–1183, doi:10.1016/j.cell.2017.08.005

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