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中國(guó)學(xué)者遭蟑螂圍攻轉(zhuǎn)而研究:發(fā)現(xiàn)斷肢再生奧秘[多圖]

大眾健康網(wǎng) 2018-12-13 14:18 中國(guó)學(xué)者遭蟑螂圍攻研究發(fā)現(xiàn)斷肢再生奧秘

蟑螂是日常生活中常見(jiàn)的昆蟲(chóng),我們大家應(yīng)該都聽(tīng)說(shuō)過(guò)一句話,就是打不死的小強(qiáng),蟑螂是一種生命力很頑強(qiáng)的昆蟲(chóng),即使是你把它的肢體,軀干分離開(kāi)來(lái),蟑螂也會(huì)自己復(fù)原的,中國(guó)學(xué)者就通過(guò)蟑螂研究斷肢再生的奧秘,相信不久后,臨床上處理斷肢更加便捷。

中國(guó)學(xué)者遭蟑螂圍攻轉(zhuǎn)而研究:發(fā)現(xiàn)斷肢再生奧秘(1)

1、中國(guó)學(xué)者研究斷肢再生

在廁所遭蟑螂圍攻,中國(guó)學(xué)者轉(zhuǎn)而發(fā)起研究:發(fā)現(xiàn)斷肢再生奧秘

蟑螂,學(xué)名蜚蠊,地球上最古老的昆蟲(chóng)之一,在中國(guó)又被稱為“打不死”的“小強(qiáng)”。

一年多以前,華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和昆蟲(chóng)科學(xué)與技術(shù)研究所的李勝教授將多年的研究對(duì)象從家蠶和果蠅轉(zhuǎn)移至果蠅和美洲大蠊(蜚蠊目一種)。北京時(shí)間3月21日凌晨,頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》子刊《自然-通訊》在線發(fā)表了李勝團(tuán)隊(duì)和該項(xiàng)研究有關(guān)的論文,”The genomic and functional landscapes of developmental plasticity in the American cockroach”(美洲大蠊發(fā)育可塑性的基因組與功能詮釋)。

李勝2006年從約翰霍普金斯大學(xué)博士后出站后回國(guó)工作,至今從事昆蟲(chóng)科學(xué)研究20余年。目前是華南師范大學(xué)昆蟲(chóng)科學(xué)與技術(shù)研究所所長(zhǎng),2016年當(dāng)選長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授。論文的另一通訊作者為中科院植生生態(tài)研究所的詹帥研究員。

李勝在接受采訪時(shí)表示,“研究蟑螂的初衷其實(shí)有一個(gè)蠻有趣的一個(gè)故事,當(dāng)時(shí)我剛來(lái)到廣東,6月份的時(shí)候一去廁所就有好幾只大蟑螂飛到身上來(lái),非常討厭。國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)也沒(méi)什么對(duì)蟑螂的深入研究,我后來(lái)就跟詹帥討論了下決定研究蟑螂?!?

彼時(shí),李勝剛結(jié)束了在中科院植生生態(tài)研究所的10年工作生涯,去華南師范大學(xué)任職。正是在華南等熱帶和亞熱帶地區(qū),蟑螂肆意滋生、危害猖獗,成為了臭名昭著的衛(wèi)生害蟲(chóng)。

隨后,李勝就專門(mén)開(kāi)辟了一間蟑螂屋。二十幾平方米的蟑螂屋內(nèi),放置了許多鐵架子,架子上一層一層撂了很多塑料收納箱,每個(gè)箱子里放著一個(gè)菜市場(chǎng)隨處可見(jiàn)的紙漿雞蛋托盤(pán)。就在這樣的收納箱里,培養(yǎng)著數(shù)萬(wàn)只品種不同、大小不一的蟑螂,雞蛋托盤(pán)的一個(gè)個(gè)凹陷處成了蟑螂平日喜歡躲藏的地方。

白蟻由蟑螂進(jìn)化而來(lái)

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)二代測(cè)序技術(shù)獲得超過(guò)1Tb的數(shù)據(jù)。美洲大蠊的測(cè)序深度為295×,通過(guò)高質(zhì)量基因組裝最后獲得3.38Gb基因組序列。

在所有的“家居”蟑螂中,美洲大蠊體型最大,長(zhǎng)度可達(dá)53毫米,在發(fā)育成成蟲(chóng)之前會(huì)蛻皮6-14次,生命周期也最長(zhǎng),將近有700天。

李勝表示,“在已知的昆蟲(chóng)基因規(guī)模中,美洲大蠊是除東亞飛蝗外的第二大物種?!焙蜄|亞飛蝗類似,美洲大蠊60%左右的基因組為重復(fù)序列,研究團(tuán)隊(duì)還預(yù)測(cè)到21336個(gè)蛋白編碼基因。

通過(guò)和其他蜚蠊目物種的基因組對(duì)比,研究團(tuán)隊(duì)得出了他們的第一個(gè)重大發(fā)現(xiàn):白蟻由蟑螂演化而來(lái),而美洲大蠊介于德國(guó)小蠊和白蟻之間,并且美洲大蠊和白蟻的遺傳距離更加接近。

論文中提到,德國(guó)小蠊、濕材白蟻和美洲大蠊之間分別存在9633個(gè)和9573個(gè)同源序列。在其中7640個(gè)共同的同源序列中,近2/3的美洲大蠊基因在序列一致性上和白蟻更接近,另外1/3和德國(guó)小蠊更接近。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,美洲大蠊和白蟻遺傳距離更近這一新發(fā)現(xiàn),“為白蟻由蟑螂進(jìn)化而來(lái)提供了重要的基因組證據(jù)”。

“目前來(lái)說(shuō),只能確定蜚蠊是白蟻的祖先,具體由那一種蜚蠊進(jìn)化成白蟻還是不清楚,這也是我們目前非常重要的一個(gè)研究方向。”李勝表示,“另外,尋找蟑螂的起源,以及它們?nèi)绾芜w移,這都是我們非常感興趣的內(nèi)容。”

 追蹤、辨別食物的三大感受器家族

研究團(tuán)隊(duì)隨后將研究聚焦于和美洲大蠊獨(dú)特的生物學(xué)特點(diǎn)相關(guān)的基因家族,以此破解它們適應(yīng)城市環(huán)境的成功秘密。

李勝表示,“第一個(gè)是美洲大蠊攝食范圍特別廣,不被苦味受體識(shí)別的都能吃,萬(wàn)一吃進(jìn)去有毒的話還能通過(guò)一個(gè)非常復(fù)雜的解毒酶系統(tǒng)解毒,相關(guān)的基因家族會(huì)大規(guī)模擴(kuò)張。它還有很強(qiáng)的免疫能力,能容忍病原微生物的侵入?!?

眾所周知,美洲大蠊攝食廣泛,這也是它們適應(yīng)多種食物來(lái)源的基礎(chǔ)。而這實(shí)際上源于它們能容忍各種化學(xué)、生物因素,例如殺蟲(chóng)劑等帶來(lái)的毒素,或者各種病原體。因此,研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始分析和化學(xué)感應(yīng)、解毒作用和免疫有關(guān)的信號(hào)通路。

昆蟲(chóng)負(fù)責(zé)識(shí)別化學(xué)感應(yīng)刺激的感受器家族主要有三大類,即嗅覺(jué)感受器(ORs)、味覺(jué)感受器(GRs)和離子型谷氨酸受體(IRs)。通常,化學(xué)刺激物質(zhì)散發(fā)的氣味分子首先會(huì)被氣味結(jié)合蛋白(OBPs)會(huì)結(jié)合、轉(zhuǎn)移至嗅覺(jué)感受器。

研究團(tuán)隊(duì)比較了美洲大蠊、白蟻和果蠅之間的上述感受器的基因家族。美洲大蠊基因中一共發(fā)現(xiàn)154個(gè)嗅覺(jué)感受器,是其它參照物種的兩倍。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,嗅覺(jué)感受器的擴(kuò)張幫助美洲大蠊更易追蹤到食物,尤其是美洲大蠊最喜歡的發(fā)酵食物。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),美國(guó)大蠊有522個(gè)味覺(jué)感受器,這也是迄今在昆蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)最多的。有趣的是,這其中有329個(gè)味覺(jué)感受器在系統(tǒng)發(fā)育中形成了特定的進(jìn)化枝,也被稱作苦味受體。

能辨別苦味通常被認(rèn)為是生物體應(yīng)對(duì)苦味和有毒食物的自我保護(hù)系統(tǒng)。美洲大蠊中苦味受體的大量擴(kuò)張或許可以解釋這種雜食性的物種可以適應(yīng)不同環(huán)境中變化的食物。

此外,研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),離子型谷氨酸受體在美洲大蠊中也發(fā)生了本質(zhì)性的擴(kuò)張,達(dá)到640個(gè),而濕材白蟻的基因中僅發(fā)現(xiàn)了148個(gè)。此前,在果蠅研究中曾報(bào)道,離子型谷氨酸受體在和觸角的腔錐感受器相關(guān)的神經(jīng)元中被表達(dá),以此調(diào)節(jié)對(duì)揮發(fā)性化學(xué)線索和溫度的響應(yīng)。

因此,研究團(tuán)隊(duì)假設(shè),對(duì)美洲大蠊來(lái)說(shuō),離子型谷氨酸受體或許在環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮了重要作用。

誤食了能自我解毒、微生物入侵有天然抗菌肽

美洲大蠊不僅攝食范圍廣,重點(diǎn)還在于一旦誤食還能自我解毒。

對(duì)昆蟲(chóng)來(lái)說(shuō),克服毒素的解毒系統(tǒng)主要包括各種酶和異型物質(zhì)(殺蟲(chóng)劑、除草劑等)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

研究團(tuán)隊(duì)在美洲大蠊中確認(rèn)了178個(gè)細(xì)胞色素P450s,90個(gè)羧酸脂酶或膽堿酯酶,39種谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶和115種ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。這些就構(gòu)成了美洲大蠊獨(dú)特的解毒系統(tǒng)。論文提到,和其他蜚蠊目物種比較,美洲大蠊中的P450s擴(kuò)張最明顯。

除人類使用的殺蟲(chóng)劑等毒素對(duì)蟑螂產(chǎn)生威脅外,微生物也是其“老朋友”。蟑螂通常生存在潮濕、不衛(wèi)生的環(huán)境中,又尤其喜歡發(fā)酵食物。因此,蟑螂有大量暴露于細(xì)菌和病原菌的機(jī)會(huì)。

對(duì)所有的昆蟲(chóng)來(lái)說(shuō),它們會(huì)依賴先天免疫系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗微生物感染。先天免疫力的體液應(yīng)答主要靠三種主要的信號(hào)通路調(diào)節(jié):Imd、Toll和JAK-STAT。在果蠅等昆蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn),被革蘭氏陰性細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和真菌感染后,Imd、Toll通路被分別激活,從而合成和分泌抗菌肽進(jìn)入血淋巴,最終殺死入侵的微生物。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),美洲大蠊含有Imd、Toll和JAK-STAT通路的關(guān)鍵組成成分和效應(yīng)物質(zhì)。和其他昆蟲(chóng)相比,美洲大蠊Toll通路的基因顯著擴(kuò)張。并且通過(guò)功能分析發(fā)現(xiàn),Toll通路是美洲大蠊最為重要的天然免疫信號(hào)途徑。研究團(tuán)隊(duì)還在美洲大蠊基因中檢測(cè)到11種抗菌肽。

研究團(tuán)隊(duì)還給美洲大蠊注射微生物,通過(guò)測(cè)量蟑螂粗提液的抗菌活性來(lái)測(cè)試抗菌肽的感應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),注射革蘭氏陰性細(xì)菌后,抗菌活性很強(qiáng),注射革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌后,抗菌活性中等,注射真菌后,也存在較弱的抗菌活性。這些結(jié)果表明,蟑螂抗菌肽具有廣譜潛力。

“小強(qiáng)”斷肢再生的秘密

通常,在昆蟲(chóng)的蛻皮和變態(tài)發(fā)育過(guò)程中,會(huì)受到20-羥基蛻皮甾酮(20E)和保幼激素(JH)的共同調(diào)節(jié)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在美洲大蠊中,調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)發(fā)育的重要生物合成和信號(hào)通路,例如20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素、胰島素、幾丁質(zhì)代謝、AMPK、TORC1等均存在并高度保守。尤其是,研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了和保幼激素生物合成和代謝有關(guān)的兩種關(guān)鍵基因(Jhamt 和Jhe)),另外胰島素樣肽基因顯著擴(kuò)張。除此之外,表皮蛋白家族是美洲大蠊中擴(kuò)張最顯著的。

為更好理解這些上游信號(hào)是如何調(diào)節(jié)蛻皮、變態(tài)和生長(zhǎng)的,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)RNA干擾技術(shù)破壞了美洲大蠊若蟲(chóng)期的20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素和胰島素信號(hào),肉眼可觀察到蛻皮出現(xiàn)缺陷。

在RNA干擾敲低EcR和RXR這兩種編碼20-羥基蛻皮甾酮核受體的基因情況下,美洲大蠊最終會(huì)死亡。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)綜合得出,20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素和胰島素對(duì)蛻皮、變態(tài)和生長(zhǎng)分別能產(chǎn)生重要作用。當(dāng)然,論文中還提及,這三者如何相互作用還有待研究。

美洲大蠊在較長(zhǎng)的成蟲(chóng)期會(huì)定期繁殖。另外,美洲大蠊還能孤雌生殖,即單性生殖,卵不經(jīng)過(guò)受精也能發(fā)育成正常后代。這為蟑螂的泛濫成災(zāi)也提供了源源不斷的動(dòng)力。

李勝提到,“這個(gè)蟲(chóng)子長(zhǎng)得特別快,它是受吃所吃東西多少所調(diào)控的,具有很強(qiáng)的可塑性。有吃的東西話它可以長(zhǎng)得很快,沒(méi)有吃的東西時(shí)候它可以保持很長(zhǎng)時(shí)間的靜止,它會(huì)根據(jù)外界環(huán)境,改變蛻皮次數(shù)來(lái)調(diào)整其可塑性。”

據(jù)李勝描述,在野外美洲大蠊將近一年發(fā)育成成蟲(chóng),但在實(shí)驗(yàn)室條件下三個(gè)月就可以到達(dá)成蟲(chóng)。

值得注意的是,論文中強(qiáng)調(diào),除美洲大蠊外,白蟻也能孤雌生殖,而德國(guó)小蠊不能。這也再次支持了美洲大蠊更接近于白蟻的假設(shè)。

蟑螂最被人熟知的還是其很強(qiáng)的“斷肢再生”能力,這也是被稱為“小強(qiáng)”的主要理由。論文中提到,美洲大蠊在若蟲(chóng)期具有很強(qiáng)的斷肢再生能力,而斷肢再生的恢復(fù)程度則取決于創(chuàng)傷程度。

“如果把它的頭摘掉,它的身體還能活動(dòng)五六天,如果把腿或者觸角剪掉,它幾天之內(nèi)就能長(zhǎng)出來(lái),蛻皮以后就能清晰觀察到幾乎完好如初?!崩顒俦硎?。

在以往對(duì)果蠅和脊椎動(dòng)物的研究中,已經(jīng)有很多重要的信號(hào)通路被認(rèn)為和傷口愈合和組織修復(fù)有關(guān),例如Dpp(轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子)、JNK、GRH、Wg等。這些在美洲大蠊基因同樣被顯示存在。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)著重證明,Dpp通路在蟑螂斷肢再生過(guò)程中對(duì)其傷口愈合和組織再生起到關(guān)鍵作用。

論文中還提到,目前已經(jīng)成為傷口愈合和組織再生處方藥的康復(fù)新液(國(guó)家藥品標(biāo)準(zhǔn) WS3-B-3674-2000(Z)),實(shí)際上就是美洲大蠊的乙醇提取液。

目前,研究團(tuán)隊(duì)正在研究,是否真正存在“生長(zhǎng)因子”將美洲大蠊斷肢再生機(jī)制和康復(fù)新液這樣的乙醇提取液聯(lián)系起來(lái)。

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