Science：揭示抵抗绦虫时形成或不形成疤痕组织的进化成本和效益

拖着体重三分之一的绦虫到处走真的很累人。在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校和康涅狄格大学的研究人员发现三刺鱼（threespine stickleback fish）进化出了对一种称为绦虫（tapeworm）的寄生虫的抵抗力，但这种抵抗力也有其自身的代价。相关研究结果发表在2022年9月9日的Science期刊上，论文标题为“Evolutionary gain and loss of a pathological immune response to parasitism”。

大约12000年前，当三刺鱼离开海洋水域到北部淡水湖定居时，它们遇到了淡水绦虫。这些绦虫侵入它们的腹部并生长，达到巨大的尺寸，占宿主三刺鱼体重的四分之一到三分之一。这就像一个普通大小的人带着一条重50磅的绦虫。一些三刺鱼种群很快进化出一种防御措施：在遇到绦虫时，它们的免疫系统会在绦虫周围形成疤痕组织，阻止其生长。但是，其他的三刺鱼种群却能忍受这些绦虫，只产生一点疤痕组织或或者根本产生疤痕组织。

那些形成疤痕组织抵抗绦虫的三刺鱼群体和那些没有形成疤痕组织的三刺鱼群体可以住得很近，在湖泊中相距仅数英里。在此之前，还没有人理解为什么有些三刺鱼种群以一种方式进化，而另一些三刺鱼群体则以另一种方式进化。

论文共同通讯作者、康涅狄格大学生物学家Daniel I. Bolnick说，“我们在阿拉斯加和不列颠哥伦比亚省看到了这种情况。我们的同事们在斯堪的纳维亚半岛也看到了这种情况。”

论文共同通讯作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的Jesse Weber说，“关于绦虫和鱼类之间的共同进化，其巧妙之处在于它是一个明显的动态过程，在我们所看到的每个地方，这场进化之战都有不同的结果。”Bolnick、Weber和论文共同通讯作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的Natalie Steinel一起工作来回答三刺鱼的寄生虫抗性问题。他们发现对寄生虫的抵抗力并不总是一件好事。

这些作者研究了不列颠哥伦比亚省温哥华岛的罗伯茨湖（Roberts Lake）和戈斯林湖（Gosling Lake）附近的三刺鱼。这两个湖泊都有绦虫，而且都有三刺鱼。这两个湖泊的三刺鱼群体极为相似，它们的主要区别是，罗伯茨湖的三刺鱼积极地形成结疤组织，以防止绦虫生长，而戈斯林湖的三刺鱼则没有形成结疤组织。它们唯一的其他明显区别是，来自罗伯茨湖的雌性三刺鱼比来自戈斯林湖的雌性三刺鱼繁殖的成功率低得多，显然是因为它们腹部中形成的疤痕组织使它们更难繁殖。

这些作者想知道哪些基因是造成疤痕组织形成的原因，以及疤痕组织是否是罗伯茨湖雌性三刺鱼繁殖能力差的原因。但是，如果他们简单地直接比较罗伯茨湖三刺鱼和戈斯林湖三刺鱼的基因组，他们可能会被这两种三刺鱼群体之间与瘢痕无关的其他基因差异所迷惑。他们不得不将这两个群体混合在一起，使它们之间唯一一致的差异是瘢痕性状。

为了进行基因重组，这些作者将罗伯茨湖的三刺鱼与戈斯林湖的三刺鱼进行杂交。由此形成的罗伯茨-戈斯林杂交鱼都很相似，每条杂交鱼都有来自每种三刺鱼群体的一半基因。然后，这些杂交鱼通过相互交配产生第二代杂交鱼。第二代有许多不同的基因组合，每条第二代杂交鱼都有彼此不同的性状、它们的杂交亲代，以及作为祖父母一代的罗伯茨湖三刺鱼和戈斯林湖三刺鱼。

这些作者随后将这种第二代经过基因重组后的杂交鱼暴露在绦虫中。在对它们进行了特定天数的暴露后，他们观察了每条第二代杂交鱼身上的疤痕组织和绦虫的相对数量。他们分析了含有大量绦虫的第二代杂交鱼的基因组，并将其与形成严重疤痕的第二代杂交鱼的DNA进行比较。他们将差异缩小到少数几个基因上，然后仔细观察，看看哪些基因非常活跃。他们发现其中一个最活跃的基因是一个也与小鼠瘢痕组织形成密切相关的基因。

你可能会感到惊讶，小鼠形成疤痕组织的方式与鱼相同。但是疤痕组织的产生是由免疫系统控制的，这在从鱼到小鼠到我们的所有脊椎动物中都是相似的。

这些作者随后研究了这两种原始的三刺鱼群体中的这个基因。在戈斯林湖三刺鱼的基因组中，他们发现该基因近期已经进化。似乎有持续的进化压力来让这种三刺鱼群体忍受绦虫，而不是让它们形成结疤组织。

Bolnick说，“这是在野外和实验室完成的极少数论文之一，显示了寄生虫抵抗性的适应度成本很大。不过，这是有道理的。很多形成疤痕组织的雌性三刺鱼成功繁殖的可能性降低了80%。绦虫似乎并不影响繁殖，尽管它们确实使三刺鱼的速度减慢，并使它们更有可能被鸟吃掉。”

Weber说，“当我们观察这些系统时，我们可以学到非常多的东西，不仅是关于进化的过程，而且是关于对人类和牲畜有应用价值的新机制。比如，你的免疫系统如何识别寄生虫，你如何抵抗寄生虫，以及你如何关闭不需要的免疫反应等机制。”

Steinel说，“这项新研究很重要，因为它强调了种群内部和种群之间存在的免疫学变异性（以及因此抵抗感染的能力），这是如何产生的，以及这如何影响健康结果。在这篇论文中，我们使用鱼类来解决免疫/病原体共同进化的问题，但这些原则广泛适用于其他动物系统，包括人类感染。为了成功地控制传染病，我们必须了解免疫反应导致的成本和效益的平衡。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Jesse N. Weber et al. Evolutionary gain and loss of a pathological immune response to parasitism. Science, 2022, doi:10.1126/science.abo3411.

2. To scar or not to scar when resisting tapeworms: That is the (evolutionary) question
https://phys.org/news/2022-09-scar-resisting-tapeworms-evolutionary.html