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鲑生粘孢虫

鲑生粘孢虫(Henneguya salminicola,可简称为H. salminicola),又称鲑居尾孢虫,是已知的首个没有线粒体基因组的多细胞生物。鲑生粘孢虫似乎有一对“眼睛”,实际上这对“眼睛”是带刺的细胞,它们不含毒液,但在必要的时候将帮助寄生昆虫抓住寄主。

形态特征

在显微镜下观察时,这些孢子看上去就像蓝色精子细胞,有两条尾巴和一对椭圆形、类似外星人的眼睛。实际上这对“眼睛”是带刺的细胞,它们不含毒液,但在必要的时候将帮助寄生虫抓住寄主,在进化中它们失去了组织、神经细胞和肌肉,这些带刺的细胞可能是它们进化历程中唯一未消失的特征。

生活习性

鲑生粘孢虫是一种感染水下植物病原线虫三文鱼的致密肌肉组织的微小寄生昆虫,属于粘原虫类(Myxozoan)寄生虫。当宿主死亡时,孢子被释放出来,这些孢子被蠕虫吃掉,这些蠕虫也可以成为寄生昆虫的宿主。当鲑鱼吃蠕虫时,寄生虫就会进入它们的肌肉,从而使它们被感染。组成它的细胞还不到10个,是由研究人员在鲑鱼的肌肉中发现,在鱼体内,这些寄生虫看起来就像是从肌肉组织中渗出的白色气泡,在其鱼类寄主白肌内的假性囊肿中经历增殖和孢子形成阶段(白肌是一种具有厌氧代谢的组织),据称,被该寄生虫感染的鱼会患有“木薯病”。

发现

2020年初,以色列台拉维夫大学的一支研究小组对一种常见的鲑鱼寄生虫进行研究时发现,这种被称为Henneguya salminicola的寄生虫,是一种刺胞生物,与珊瑚、水母和海葵属于同一动物门。尽管该寄生昆虫三文鱼体内形成的囊肿很难看,但是它们对于鲑鱼是无害的,并且会伴随鲑鱼生命周期一起共存。

Henneguya salminicola类似水母的寄生虫,它们没有线粒体基因组,这是迄今已知唯一没有线粒体基因组的多细胞生物,意味着该生物不会呼吸,事实上,它的存在完全颠覆了人们对地球生物的广义认知,因为它的生存完全不依赖氧气

隐藏在宿主体内的这些微小刺胞生物可以在缺氧条件下存活,如果不深入观察该生物脱氧核糖核酸,很难揭晓它们是如何幸存下来的。

研究人员利用深度测序和荧光显微镜对Henneguya salminicola进行深入分析,发现它们已失去线粒体基因组,此外,也失去了有氧呼吸能力,几乎所有参与转录和复制线粒体的细胞核基因都已丧失。

单细胞动物一样,它也进化出与线粒体相关的细胞器,但是它们非常独特,其内膜上通常看不到褶皱。研究人员使用相关的测序和显微镜观察方法观察另一种寄生鱼体的刺胞寄生昆虫——Myxobolus squamalis,以此作为参照对比,清晰呈现线粒体基因组变化情况。

研究结果表明,Henneguya salminicola是一个多细胞生物,它不需要氧气生存,但究竟它是如何幸存下来仍是一个谜团,它可能从宿主体吸取三磷酸腺苷,但该发现仍亟待验证。

但是这种线粒体基因组损失与此类生物进化总体趋势是一致的,这是一种基因简化过程,经过多年之后,它们基本上从一种自由生存的水母祖先物种进化为现今我们所见到的更简单的寄生昆虫

它们已失去水母远古祖先大部分基因组,但令人感到奇怪的是,它们保留了一个类似水母刺细胞的复杂结构,不是用于刺伤猎物,而是依附于宿主,从而满足从类水母生物进化至寄生虫的生存适应。该寄生虫的外形非常像眼睛,这个发现可能有助于渔业调整处理寄生虫的策略,尽管寄生虫对人类无害,但是没有人愿意购买身体布满眼状寄生虫的三文鱼

相关研究

科学家对鲑生粘孢虫进行显微镜和基因组分析,结果显示它与其他所有已知动物不同,它没有线粒体基因组——这是储存在动物线粒体内很小的基因组,却具有至关重要的作用,其中包括负责呼吸的基因。基因组中几乎没有涉及线粒体基因组复制和翻译的所有核编码蛋白。有趣的是,鲑生粘孢虫中编码线粒体 DNA 聚合酶亚基的基因是假基因,其包含三个点突变,产生了过早的终止密码子(移码突变)。但鲑生粘孢虫确实存在类似线粒体的细胞器(MRO),存在嵴(由膜的内陷形成),检测到了参与嵴组织的基因,但它们不能产生许多呼吸所需的酶,不过它们确实拥有一种氧化酶且它们的类似线粒体且仍具有多种代谢功能。

这些发现都表明该生物能够在没有氧的情况下存活下来。类似于线粒体脱氧核糖核酸的结构表明这微小的寄生昆虫经历了一个进化的过程。线粒体 DNA 的缺失和有氧呼吸可能是 Henneguya 谱系中最近的进化事件。由于所有丢失其线粒体基因组的生物都生活在厌氧环境中,因此推测鲑生粘孢虫中线粒体基因组的丢失都是由宿主中的低氧环境驱动的。

对来自于红鳟鱼三文鱼(sockeye salmon, Oncorhynchus nerka)肌肉中的粘孢子虫鲑生粘孢虫(Henneguya salminicola)蛋白酶的生化特性进行了研究。寄生昆虫包囊中含有一种可溶的、不耐热的蛋白酶,在pH=3.0时对血色素水解具有最大活性,在pH=4.5时对鲑鱼肌肉蛋白的水解具有最大活性。从金属离子和巯基结合试剂获得的抑制作用表明基参与了酶活性的表达。该酶不需要二硫键还原剂的初步活化,也没有明显的对二价金属离子的需要。H.三文鱼蛋白酶(H.salminicolaprotease)对鲑鱼肌肉的水解强烈依赖温度。尽管蛋白水解在30–40°C时发生的速率最高,但该酶在冰肌肉中仍然保持活性。在冷冻肌肉中,蛋白水解酶的活性一般是会完全被抑制的,但在长时间的冷冻储存(-28°C)中,该酶仅轻微失活。寄生昆虫的存在对生的或熟的肉的质地没有明显的影响。

专家解读

以色列台拉维夫大学生命科学学院和斯坦哈特自然博物馆(Steinhardt Museum of Natural History)动物学院的Dorothée Huchon表示,此前有氧呼吸被认为存在于所有的动物中。然而,现在我们的研究已经证实,并不是所有的动物都是这样。她提到,这一发现证明了进化可以朝着奇怪的方向发展。

特拉维夫大学进化生物学家Dorothée Huchon称,它们失去了组织、神经细胞、肌肉,所有的一切,现在它们也失去了呼吸能力。但是这种基因组缩小化可能对鲑生粘孢虫等寄生昆虫具有一定优势,让它能尽可能快且频繁地繁殖而茁壮成长。

Huchon指出,动物通常被认为是多细胞生物,有很多基因,进化得越来越复杂,而我们却发现鲑生粘孢虫是一种“完全相反”的生物,它是逆向进化,几站进化成了单细胞动物

该研究发现也证实了对厌氧环境的适应并非单细胞真核生物独有,而是在多细胞寄生寄生虫中也得到了进化。因此,该研究为了解从有氧代谢到无氧代谢的进化过渡提供了机会。

那么,如果没有呼吸,鲑生粘孢虫是如何获得能量的呢。研究人员对此并不确定。研究人员指出,其他类似的寄生昆虫也可以直接从感染宿主体输入三磷酸腺苷(基本上是分子能量),鲑生粘孢虫也可能具备此类行为,但它也可能使用无氧呼吸或类似的无氧呼吸,更深入的研究将有助于揭晓该动物的奇特基因组谜团。

研究意义

有助于科学家深入理解生物生存谜团,对厌氧环境的适应并不是单细胞真核生物生物所独有,这也是从多细胞寄生物中进化形成的。

Henneguya salminicola为理解生物从有氧代谢至纯厌氧代谢的进化转变提供重要线索,目前该研究报告发表在近期出版的《美国国家科学院院刊》上。

参考资料

河南工人日报数字报