瑞士發現了讓蒼蠅絕後的辦法,過程複雜到看不懂

2020-12-05 愛範兒

很多時候，細菌對昆蟲的感染呈現出「重男輕女」的現象，即受到感染的雌性，她們的兒子們通常會死亡，但女兒們往往安然無恙。這是怎麼回事？

道理並不複雜，因為細菌可以附著於雌性卵子上傳播，卻無法被精子攜帶，這就意味著這些雄性後代不僅不能幫助傳播細菌，還會與雌性宿主爭食，進一步擠佔細菌的生存空間。那麼為了永絕後患，最簡單直接的辦法就是把這些雄性後代都殺光。

（圖片來自：Wikipedia）

然而，想法是很好，但具體實施起來卻是個問題，怎樣才能確保殺死的都是雄性宿主，而不誤傷到雌性？有兩位瑞士研究人員憑藉著嚴謹的態度和一點運氣，發現了一種細菌在「性別歧視殺人」方面的神操作。

歷史上很多偉大的發現總少不了巧合，Harumoto 和 Lemaitre 的發現經過也有些運氣的成分。他們研究的是一種叫作 Spiroplasma poulsonii 的細菌，它們寄生於蒼蠅當中，並通過蟲卵傳播並殺死雄蠅。

他們在研究過程中發現，有一些被感染的雄蠅竟然存活了下來。換作是別人，可能就會以為是實驗操作出現失誤，把這些樣本一丟了之。但無數事實告訴我們，成功者之所以能成功，往往就在於他們比別人多走了一步。

Harumoto 和 Lemaitre 對這些存活下來的雄蠅與原始菌株進行了基因測序，發現了其中的奧妙。通過對比，他們找到了一個可疑的基因，在變異的菌株中，該基因有一大塊缺失。

為了確認這個基因就是導致雄蠅死亡的罪魁禍首，研究人員把它複製了一份，插入了蒼蠅的基因中，不出所料，蒼蠅果然沒活下來，而且死亡過程與其他被感染的蒼蠅類似，都是大量的細胞死亡伴隨著神經系統崩潰。

（圖片來自：《自然》雜誌）

研究人員將這個基因命名為「S. poulsonii androcidin」。這當然不是隨便起的名字，poulsonii 是原本的細菌名的一部分，androcidin 中的「andro」是雄性的意思，「cindin」則來自「殺人犯」（homicide）一詞，我們姑且稱之為「雄性殺手」好了。

這個基因的特別之處在於，它有一半是負責編碼蛋白質，令其與其他蛋白質相互作用，這是我們熟悉的基因的作用，把該片段刪除後插入雄蠅體內，就沒有出現死亡的情況，表示它是起關鍵作用的片段。

另一半就比較罕見了，它的作用更像是催化劑。學過生物和化學的人都知道，催化劑並不會改變反應的結果，只是會加快（或減慢）反應速度。而實驗結果也證明，將這部分基因刪除後，雄蠅照常死亡，但存活的時長大為增加。

再回到我們前文提到的那些對 Spiroplasma poulsonii 細菌有了耐受性的雄蠅，他們身上的變異菌株正是由於這個特殊基因的缺失而喪失了致命性。

但由於起到催化作用的部分基因，與人們此前研究過的基因編碼蛋白質領域可以說是大為不同，因此目前仍很難判定其他雄蠅的死亡到底是因為其餘蛋白質保留了一些活性，亦或是細菌本身有多種「殺蠅」手段。

安能辨我是雄雌？

還有一個問題是，這些細菌又是如何分別宿主雌雄的呢？

首先，蒼蠅和人類一樣，也是由 XY/XX 染色體決定性別的。

我們人類男女之間 X 染色體數量的差異，是通過使女性其中一條 X 染色體失活來補償的，而蒼蠅則是通過提高雄性唯一的 X 染色體上的基因活性來補償這種由於 X 染色體數量不同產生的差異，這在生物學上叫做「數量補償作用」。

這種補償作用有賴於雄性 X 染色體上的一組蛋白質形成的複合物。藉助螢光標記法，Harumoto 和 Lemaitre 發現，前文提到的「可疑」病菌基因能導致某種蛋白質附著在雄性 X 染色體上。

於是，他們改造了雌蠅的基因結構，令其也能也合成同樣的複合物，並用 Spaid 細菌進行測試，結果顯示這種蛋白質複合物也會像在雄性身上一樣，附著到雌性的 X 染色體上，並最終導致雌蠅死亡。這也許可以證明，這些細菌蛋白質可能與雄蠅體內的某個關鍵細胞功能有關。

目前可以確定的是，spaid 蛋白質有兩個已知部分是需要被定位於 X 染色體上的，一個被導入細胞核，另一個則被導入 X 染色體。

至於蛋白質是如何從細菌中被合成並導入宿主細胞的，還需要進一步研究，但總的來說，它揭示了寄生蟲如何利用有機體本身的基本活動進行複製，最終達到傳播的目的。

細菌感染的「性別歧視」在實際生產中可是大有作為。

比如 MosquitoMate 公司就把感染了 Wolbachia pipientis 細菌的雄性蚊子（不叮咬人類）與雌性亞洲虎蚊（叮咬人類）的野生種群交配，利用父本染色體在細菌作用下不能正常形成，公蚊受精卵不會孵化的原理，達到了滅蚊目的。

說不定 Harumoto 和 Lemaitre 的研究成果，未來也可以用於給蒼蠅做「絕育手術」。

題圖來自：ARS TECHNICA

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

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

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