螞蟻基因組研究：試圖破解人類難題
本刊記者 唐元愷 • 2011-11-07 • 來源：北京周報 2011年第44期 11月3日出版
孩子總愛一蹲老半天，樂此不疲地緊盯著地上忙忙碌碌的螞蟻們。而大人則往往會忽略這些「不起眼」的小傢伙。不過，一些科學家比小孩子的興致更大，並且常年如一日。深圳華大基因研究院(BGI)的張國捷博士便是如此。
自2009年起，他開始了螞蟻基因組的測序工作。而螞蟻基因組是華大基因研究院與合作者啟動的「千種動植物基因組計劃」一期項目之一（還要對百餘種動植物做基因組測序分析），其中過半已完成或接近尾聲。除螞蟻基因組以外，大熊貓和黃瓜基因組等研究成果均陸續發表在《自然》及其系列國際權威學術雜誌上。而種種新的發現，為科研人員研究螞蟻中存在諸多有趣的生物學現象提供了充足的數據基礎。今年9月份，身為深圳華大基因研究院科學系副主管、比較基因組學與演化生物學中心主管的張博士又與丹麥哥本哈根大學（Kbenhavns Universitet）同行一起，繼續螞蟻的研究。
此前，由中國與丹麥科研人員共同完成的「切葉蟻」（the leaf-cutting ant Acromyrmex echinatior）的基因組測序與分析成果，已於今年6月30日在國際知名學術雜誌《基因組研究》（Genome Research)上在線發布。「此項成果為社會行為學等的研究奠定了重要的遺傳學基礎。」張博士說。
在科學家眼裡，螞蟻是擁有自然界最精細社會的生物之一，它們形成了一個蟻后、工蟻、兵蟻以及雄蟻等「各司其職」的社會分工體系。而造成這些差異的遺傳基礎，長久以來一直是人們關注的話題。
中丹國際研究小組通過對切葉蟻的基因組測序，發現切葉蟻的生殖方式與別的螞蟻有很大的不同，如蟻后在一生中會與多隻雄蟻交配，而其它螞蟻的蟻后一生當中只與一隻雄蟻交配一次，並且在交配完成之後，精子會在蟻后的儲精囊中存活數十年。在研究者看來，切葉蟻基因組中的一個基因家族的擴張很可能與切葉蟻的這種交配方式有關。
神經肽（neuropeptide，泛指存在於神經組織並參與神經系統功能作用的內源性活性物質，是一類特殊的信息物質）在很多生物學過程中起著重要的作用。中國與丹麥的研究人員在比較切葉蟻和其它已知序列螞蟻的編碼神經肽的基因時發現了一個特別令人驚訝的結果。他們本以為在棲息地、食性和行為等方面都有很大差別的螞蟻，其各自編碼神經肽的基因也應會有很大不同，但結果卻正好相反。丹麥的研究人員桑恩·尼咖德（Sanne Nygaard）博士說，「我們發現在所有參與比較的螞蟻基因組中都存在著相同的神經肽基因，這表明這些基因是非常保守的。」研究人員認為，所有螞蟻的神經內分泌系統可能都含有一個非常類似的構造，並推測其可能在所有螞蟻的祖先時就已進化形成。
「目前，我們只是對切葉蟻Acromyrmex echinatior的這種特殊行為方式進行了初步研究。」另一位哥本哈根的研究者扎克巴斯·布斯碼（Jacobus Boomsma）博士補充道：「在未來的幾年裡我們還將會對這些特定的基因在不同情況下的表達模式等內容進行更加深入的研究。」
發現衰老基因
在一個有組織的螞蟻社會中，蟻后往往擁有更長的壽命，比雄蟻可長達500倍。由此，深圳華大基因研究院還與美國亞利桑那州立大學（Arizona State University）、紐約大學（New York University,，NYU)醫學院以及賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）醫學院共同合作研究弓背蟻（Camponotus floridanus）與印度跳蟻（Harpegnathos saltator）基因組，利用新一代測序技術，完成了其基因組圖譜，通過比較這兩者的基因組以及不同社會分型、發育階段的基因表達情況，以理解遺傳學如何影響人類衰老以及行為表現的。其結果，中外科學家發現了與衰老過程、神經功能以及化學通訊相關的基因，張國捷博士表示，「這正好為我們提供了一種研究行為與壽命調控的模型。」
儘管同為螞蟻，但在數萬種「同類」中，弓背蟻與印度跳蟻在社會組織方式、分工類型的形態和行為以及捕食方式上均存在著很大差別。例如，弓背蟻具有較完整的分工，有工蟻和兵蟻之分，但印度跳蟻卻不存在兵蟻；而蟻后一般比工蟻的後代壽命長10倍。據張博士介紹，大部分螞蟻（如弓背蟻）的工蟻不能與雄蟻進行交配產下後代，而少數螞蟻（如印度跳蟻）中的一些工蟻卻可以做到，並且在蟻后死亡後替代蟻后進行繁殖，壽命也會變長，可塑性極強。
科學家們針對螞蟻群體中壽命長短不一的現象，來分析遺傳學從中起到的作用和影響。在弓背蟻與印度跳蟻中均檢測到microRNA和SMYD組蛋白甲基化酶在不同等級中的特定表達，提示了它們在等級分工中的作用。通過表達比較，科研人員還發現，很多在兩種螞蟻的不同等級中差異表達的基因主要參與了神經功能及化學通訊功能，如「味覺受體」、「嗅覺受體」以及與烴類代謝有關的基因等，提示這類基因在螞蟻社會分工及信息交流中具有一定作用。
「在染色體複製過程中，染色體的末端（端粒，telomere，線狀染色體末端的DNA重複序列）會縮短，但有一種酶叫『端粒酶』（telomerase），可以維持端粒的長度，延緩衰老。」張博士表示，端粒變短，細胞就老化；相反，如果端粒酶活性很高，端粒的長度就能得到保持，細胞的老化就被延緩。
作為線狀染色體末端的一種特殊結構，端粒在正常人體細胞中，可隨著細胞分裂而逐漸縮短。把端粒當作一件絨線衫袖口脫落的線段，絨線衫像是結構嚴密的DNA，排在線上的DNA決定人體性狀。它們決定人頭髮的直與曲，眼睛的藍與黑，人的高與矮等等，乃至性格的暴躁和溫和。張博士說，在研究過程中他們發現，一般工蟻中，端粒酶的活性很低，結果它們的壽命也往往很短；可印度跳蟻中的可交配工蟻中端粒酶卻非常高，它們的壽命也相對較長，「這說明，端粒酶會對不同工種螞蟻的壽命長短起到關鍵的作用。」
「希望通過螞蟻這種生物及其社會行為模式，能夠進一步挖掘出影響生物壽命和行為的關鍵基因，而這些結果將為理解人類的壽命和行為提供一些重要的線索與證據。」張國捷博士說。
螞蟻們比掌握青黴素的人類更早使用抗生素，這也曾讓見多識廣的科學家驚訝不已——它們將抗生素作為一種耕種手段，已有5000萬年的歷史，這也就提出了一個問題：抗生素在螞蟻體內並沒有經過明顯的抗性進化，卻為何依然能夠繼續發揮作用？可人類使用的抗生素自50多年前被發明以來，由於長期遭濫用，其效果不時受到抗藥性的限制，目前在對抗疾病方面已變得不如當年那樣有效。科研人員目前正在研究新的抗生素，或設法更有效地使用老的抗生素。一些科學家寄希望於「其貌不揚」的螞蟻，如果它們真地已經進化出了解決「抗生素問題」的辦法的話。