“愉悅是短暫的，姿勢是滑稽的，代價是昂貴的”。在動物世界版“五十度灰”《性別戰爭》一書中，這句話被用來描述動物的有性生殖。
《性別戰爭》
愉悅是短暫的，姿勢是滑稽的，代價是昂貴的。
我們都知道，人與絕大多數的動物都是由真核細胞演化而來的。但是，真核生物究竟是如何開始出現有性生殖的，這個問題一直長期困擾著生物學家們。那么，如果問題的關鍵其實是那些我們肉眼不可見的細菌呢？
是的，能夠調控真核生物交配的細菌已經浮出水面！
近日，來自美國的科學家們意外發現海洋發光細菌費氏弧菌（Vibrio fischeri）可以通過分泌“催情”蛋白，誘導領鞭毛蟲目（choanoflagellate，choanos）進行有性生殖。該項研究由來自加州大學伯克利分校的 Nicole King 團隊及哈佛醫學院的 Jon Clardy 團隊共同完成，相關文章發表在8月31日的《細胞》雜志上。
這一發現將有助于揭示人類和其他動物在過去6億年中是如何從單細胞生物演化而來，我們完全有理由懷疑，正是細菌促成了真核生物史上第一次的“生命大和諧”。
在這里，DT君必須先介紹一下此次被“控制”交配的領鞭毛蟲。原生生物是指真核生物中，動物、植物、真菌之外的生物，一般個體微小，多為單細胞生物，而領鞭毛蟲就是其中的一種，同時也是和動物最相近的單細胞生物。
在外形上，每條領鞭毛蟲都有一條鞭毛，由一圈充滿肌動蛋白、叫作微絨毛的突出物環繞，在鞭毛外形成了一圈圓柱狀或椎狀的“衣領”。 其鞭毛的移動可透過“衣領”抽水，細菌及碎屑會被微絨毛捕獲，然后被領鞭毛蟲進食。這種生物還有一個神奇的特質：雖然是單細胞生物，但在某些特殊情況下，領鞭毛蟲也可以聚集成多細胞的群落。
也這是這一神奇特質，讓科學家們從一個無心之為中挖出了細菌“催情劑”這個大秘密！
幾年前，Nicole King的博士生 Arielle Woznica 偶然將費氏弧菌加入領鞭毛蟲中時，奇怪的現象發生了——大量的領鞭毛蟲聚集在一起，形成多細胞群落，這正是領鞭毛蟲交配的前奏。
要知道，這個現象在自然界中的領鞭毛蟲身上是極難發生的，領鞭毛蟲并不是一種“擅長”有性生殖的單細胞生物。但是，當它們聚集在一起，單位面積的密度迅速增加，科學家猜測是有性生殖。
于是，在Arielle Woznica 發現這一現象后，她的導師Nicole King 為了驗證這不是單純的細胞粘連或是融合，領導完成了相關的基因測序工作。他們發現領鞭毛蟲后代發生了基因重組——而這正是有性生殖的標志性特點。
也就是說，領鞭毛蟲在生殖方式上從無性到有性的變化真正“坐實”了。
圖 丨左：陰性對照，右：加入費氏弧菌的領鞭毛蟲快速聚集成多細胞群落。
注：由于其簡單的結構和與動物親密的親緣關系，領鞭毛蟲常被用來當做研究進化的模式生物，另一種海洋細菌費氏弧菌則被用作陰性對照（negative control，這一概念是針對“預期結果”提出的，凡是肯定不會出現預期結果的組，為陰性對照組）
在這一發現對于Nicole King來說簡直是一個天大的驚喜，這位細胞生物學家和遺傳學家“鐘情”于對領鞭毛蟲的研究已經長達十余年：2008 年，Nicole King 就參與了首個領鞭毛蟲目的基因組測序工作，2012 年，她的團隊發現細菌誘導的領鞭毛蟲多細胞化行為。
盡管領鞭毛蟲在海洋中十分普遍，但它依舊神秘。其中，這種生物能否進行有性生殖就是一個未解之謎。直到 2013年，King 和她的團隊發現饑餓可以誘發領鞭毛蟲的有性生殖行為——但只有很少一部分。
圖丨Nicole King
而這次的研究中，費氏弧菌引發了范圍更廣、程度更大、速度更快的領鞭毛蟲交配。“領鞭毛蟲的生活方式很靈活，它們可以一直通過無性進行繁殖，現在我們發現他們同樣進行有性生殖，而且整個轉換過程只需要不到一個小時，” King說到。
圖丨費氏弧菌誘導領鞭毛蟲交配示意圖
由于不同種類的細菌需要從環境中獲取不同的養分，因而領鞭毛蟲極有可能將細菌當做是“時機”指示劑。毫無疑問，這次費氏弧菌傳遞的消息是“交配”，而其中的“催情劑”便是費式弧菌分泌的蛋白——EroS（是的，富有創造力的科學家們以“愛神厄洛斯”為這種新發現的蛋白命名）。
EroS 是一種軟骨素酶（chondroitinase），可以降解領鞭毛蟲細胞外基質的一種特殊硫化分子。當 EroS 的功能被抑制時，領鞭毛蟲的聚集行為不再發生，而當其他水生細菌提供 EroS 時，催情劑的效果再次出現了。
“我原以為‘催情劑’只是性生物素那種小分子，所以當發現它是 EroS 這個龐然大物時，真的讓我很震驚。”來自哈佛醫學院的生物化學家 Jon Clardy 的驚喜溢于言表。
而這個研究結果也給以前未成功的實驗提供了新思路——也許正是由于缺少類似這種細菌產生的“催情劑”，以往實驗室培養的生物才無法自主交配。出于研究目的，科學家們往往需要在實驗室里培養一些原生生物或者是很初等的真核生物，但大多數情況下他們無法在實驗室里讓這些生物材料繁殖下去，最后只能采取野外收集的方法。“也許這些動物需要從周圍環境的細菌身上獲得線索，而實驗室卻并沒有提供”，研究人員說。
未來，研究團隊還會將對 EroS 一類的軟骨素酶是如何誘導領鞭毛蟲交配進行更細致的研究，同時，細菌產生的某種蛋白可以影響真核生物交配，這個實驗思路也有望拓展到人類及其細菌朋友——腸道微生物群中。
要知道，腸道微生物對人體健康的影響是近年來研究的熱門領域之一，大量的研究表明腸道微生物對于機體健康具有重要的作用：調控神經系統影響情緒，調節新陳代謝影響體重，模擬人體細胞交流信號控制血糖……借助此次實驗思路，科學家們還可能在未來解鎖腸道微生物群的更多功能。
“我們通過對領鞭毛蟲這種簡單生物的研究，可以確定其中發揮作用的關鍵分子，再將其應用在更為復雜的腸道微生物菌群研究中，用來驗證這些分子在其他環境下是否也具有相同的作用，” King 說到。
盡管未來研究還有很長的路要走，毫無疑問 EroS 功能的發現揭開了細菌在誘導真核生物有性生殖方面研究的序曲。
從地球生命演化情況來看，有性生殖似乎總是在進化的競賽中勝過無性生殖，復雜的有性繁殖有可能也是引發真核細胞進化的最主要原因。
從“清道夫”、“破壞者”到“催情大師”，細菌在人類進化中的重要角色或許又將會多了一個。如果越來越多的研究者將把目光投向這里，或許我們還會有更多意想不到的新發現。
-End-
校審：黃珊
參考：http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30930-3
https://phys.org/news/2017-09-bacteria-aphrodisiac-closest-relatives-animals.html
https://phys.org/news/2017-08-bacterial-protein-aphrodisiac-choanoflagellates.html#nRlv
https://zh.wikipedia.org/wiki/
