張文韜/編譯

美麗烏賊的奇妙共生——記微生物組學(xué)研究領(lǐng)航者瑪格麗特·M·恩蓋

張文韜/編譯

瑪格麗特·M·恩蓋

●作為生物體功能的一部分，通過(guò)對(duì)烏賊與微生物共生關(guān)系的研究，美國(guó)麥迪遜威斯康星大學(xué)的動(dòng)物學(xué)教授瑪格麗特·M·恩蓋改變了學(xué)界過(guò)去認(rèn)為的微生物是導(dǎo)致疾病元兇的觀點(diǎn)，為微生物組學(xué)研究做出了重要貢獻(xiàn)。

水族箱看似空空如也，其實(shí)不然，底砂中還隱隱露出一對(duì)眼睛。它究竟是什么？當(dāng)用碗將其撈出后，它看似像一個(gè)榛果松露，又小又圓，渾身長(zhǎng)著斑點(diǎn)。輕輕搖動(dòng)后，附在它身上的沙粒便脫落下來(lái)，一只拇指般大小的雌性夏威夷短尾烏賊（學(xué)名：Euprymnascolopes）露出了它的真面目：它在碗里狂暴地噴出墨汁，加上身上漸隱漸顯的花紋，看上去就像一幅活動(dòng)的油畫作品。

在碗里，這只短尾烏賊似乎并不孤單：它的下腹有兩個(gè)發(fā)光器官，里面滿是會(huì)發(fā)光的費(fèi)氏弧菌（Vibrio fischeri）。在水里，它們發(fā)出的光與傾瀉而下的月光相似，能消除自身的影子，此時(shí)，“隱形”的烏賊能方便地獵食。而從水上往下看，它們又散發(fā)著迷人的光彩。在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的動(dòng)物學(xué)家瑪格麗特·M·恩蓋（Margaret M·Ngai）看來(lái)，“這種烏賊如此美麗，是絕佳的實(shí)驗(yàn)生物?！?/p>

開創(chuàng)自己的領(lǐng)域

恩蓋對(duì)于烏賊和費(fèi)氏弧菌之間的關(guān)系非常感興趣，她花了26年的時(shí)間進(jìn)行研究。期間，她發(fā)現(xiàn)兩者之間的共生關(guān)系比之前想象的親密得多。這種細(xì)菌打敗了其他微生物，與宿主建立了完全忠誠(chéng)的關(guān)系：它與烏賊的免疫系統(tǒng)相互作用，調(diào)節(jié)其生物鐘，甚至影響烏賊早期發(fā)育過(guò)程，改變其身體結(jié)構(gòu)。

當(dāng)1978年恩蓋開始其學(xué)術(shù)生涯時(shí)，微生物學(xué)家?guī)缀醵紝⑽⑸镆曌鞑≡w并導(dǎo)致疾病的元兇。但在最近十年中，基因測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步使得科學(xué)家辨別出人和動(dòng)物體內(nèi)數(shù)萬(wàn)億種的微生物，并闡明了其在發(fā)育、消化和行為中的重要作用。這就是目前生物學(xué)研究中最熱門的領(lǐng)域之一——微生物組學(xué)研究。對(duì)此，加州理工學(xué)院的地球生物學(xué)家黛安娜·紐曼（Dianne Newman）評(píng)價(jià)道：“恩蓋在該領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究，使微生物組學(xué)成為一個(gè)很有吸引力的方向?！?/p>

不過(guò)，微生物組學(xué)的研究可謂喜憂參半?？茖W(xué)界的關(guān)注點(diǎn)主要集中在微生物（尤其是人體內(nèi)的微生物）是如何影響宿主健康的。在這種情況下，烏賊和它的發(fā)光“伙伴”一度黯然失色，就連最杰出的微生物組學(xué)研究者都表示，他們有時(shí)會(huì)研究恩蓋的烏賊-細(xì)菌共生模型，因?yàn)檫@有助于他們理解更復(fù)雜的微生物群落。人類微生物組學(xué)研究領(lǐng)軍人物之一、圣路易斯華盛頓大學(xué)的杰夫·戈登（Jeff Gordon）說(shuō)：“我認(rèn)為，這一系統(tǒng)的重要性不容忽視?！?/p>

盡管烏賊是個(gè)冷門的方向，但卻與恩蓋的個(gè)性有關(guān)：不走尋常路。她的合作者奈德·魯比（Ned Ruby）回憶：“我們都在加州，也經(jīng)常開車外出，她總希望走別人不常走的路線，即使路程更長(zhǎng)，她也樂于嘗試。我問(wèn)為什么要這么做，她回答說(shuō)‘你永遠(yuǎn)不知道高速公路什么時(shí)候封閉，我只想尋找到其他的路?！@也是她做研究的方式，不會(huì)追隨潮流。她總是另辟捷徑。”

在研究生階段，恩蓋被生物體發(fā)光現(xiàn)象深深吸引住了，就著手研究攜帶發(fā)光細(xì)菌的鲾魚，想弄清鲾魚身上的這種發(fā)光細(xì)菌是如何形成的。她失敗了。這種魚幾乎不可能在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。當(dāng)時(shí)，一個(gè)同事對(duì)她提到了烏賊，一種游戈于夏威夷附近淺海并喜歡晚上覓食的生物。直到1988年，恩蓋來(lái)到了夏威夷。

1989年，恩蓋在南加州大學(xué)有了自己的實(shí)驗(yàn)室，開始飼養(yǎng)這種烏賊。一年以后，繁育出了60 000只小烏賊。通常，有些寄生生物會(huì)向宿主提供一些營(yíng)養(yǎng)素，而烏賊與細(xì)菌的關(guān)系則不是這樣。盡管沒有費(fèi)氏弧菌，烏賊也可以生存，這卻增加了恩蓋的工作難度，即分別進(jìn)行飼養(yǎng)并觀察它們第一次相遇的過(guò)程。

變PAMP為MAMP

首先，恩蓋得找到一個(gè)對(duì)細(xì)菌比較了解的合作者。魯比說(shuō)：“我想我是她找到的第三個(gè)微生物學(xué)家，不過(guò)是第一個(gè)說(shuō)yes的?！彼齻?cè)诼迳即壣险n時(shí)相遇。從恩蓋開始研究烏賊以來(lái)，他們就成為了專業(yè)上的合作伙伴。德國(guó)馬克斯·普朗克研究所海洋微生物學(xué)家尼科爾·杜比利埃（McFall-Ngai）說(shuō)：“我認(rèn)為她們倆才是真正的‘共生關(guān)系’?！?/p>

恩蓋和魯比原先在不同的研究機(jī)構(gòu)工作，后來(lái)在馬諾阿的夏威夷大學(xué)的樓層相鄰，最后在麥迪遜威斯康星大學(xué)的房間相鄰。他們知道費(fèi)氏弧菌在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能寄居到烏賊身上，不過(guò)，這種細(xì)菌是如何進(jìn)入發(fā)光器官的？而其他的海洋細(xì)菌在數(shù)量上超過(guò)它1 000倍，為什么只有它能做到？為了找到原因，恩蓋解剖了烏賊的發(fā)光器官，魯比則在細(xì)菌中轉(zhuǎn)入熒光蛋白，以追蹤微生物的活動(dòng)模式。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察，盡管費(fèi)氏弧菌與烏賊共生關(guān)系的一些細(xì)節(jié)仍有待探索，但他們發(fā)現(xiàn)，這種關(guān)系起始于新生烏賊的下腹，即布滿黏液的纖毛產(chǎn)生一股可將細(xì)菌吸引過(guò)來(lái)的“洪流”。然而在2013年，恩蓋的博士生娜塔莎·克雷默（Natacha Kremer）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)費(fèi)氏弧菌接觸到烏賊時(shí)能改變后者幾十個(gè)基因的表達(dá)，其中一些基因能表達(dá)多種抗菌化學(xué)成分，創(chuàng)造了一個(gè)大部分細(xì)菌無(wú)法生存的抑菌環(huán)境，而費(fèi)氏弧菌除外。其他基因則釋放一種酶，把烏賊黏液分解成能吸引更多細(xì)菌的殼二糖。只要5個(gè)細(xì)菌細(xì)胞就能觸發(fā)這些改變，這種微生物很快就占領(lǐng)了烏賊下腹的纖毛區(qū)域。

殼二糖還能刺激細(xì)菌遷移到烏賊發(fā)光器官中的三個(gè)腺管里。細(xì)菌一旦到達(dá)這里，腺管體積和密度在變大的同時(shí)，把細(xì)菌緊緊包裹起來(lái)——充滿發(fā)光細(xì)菌后，腺管會(huì)自行關(guān)閉，在烏賊剩余的3～10個(gè)月的生命中，這些細(xì)菌都將密封在腺管內(nèi)。

讓人吃驚的是，恩蓋團(tuán)隊(duì)在2004年發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌攜帶的兩種分子——肽聚糖和脂多糖——是引發(fā)這些變化的原因。在當(dāng)時(shí)，這兩種分子只被認(rèn)為與疾病發(fā)生有關(guān)的病原體相關(guān)分子模式（PAMP），即它們會(huì)就迅速發(fā)展的感染向動(dòng)物免疫系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。恩蓋把其中代表病原體的P換成代表微生物的M，并命名為MAMPs。她認(rèn)為，雖然這些分子引發(fā)的炎癥使人衰弱，但也能開啟一段友好關(guān)系：沒有它們，烏賊的發(fā)光器官永遠(yuǎn)不會(huì)成熟。

對(duì)恩蓋來(lái)說(shuō)，這個(gè)結(jié)果揭示了更廣闊的生物學(xué)主題：動(dòng)物的生長(zhǎng)并非只受到基因組“藍(lán)圖”的影響，寄居其體內(nèi)的微生物同樣也會(huì)產(chǎn)生影響?？的螤柎髮W(xué)微生物學(xué)家安吉拉·道格拉斯（Angela Douglas）說(shuō)：“恩蓋的研究沒有停留在小范圍中?！碑?dāng)恩蓋1991年提出這個(gè)概念時(shí)，就得到其他科學(xué)家的認(rèn)可，他們發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的身體和免疫系統(tǒng)只有在接觸到細(xì)菌之后才能真正的成熟，從采蠅到哺乳動(dòng)物概莫能外，這就是對(duì)MAMPs的反應(yīng)。

比如，夏威夷大學(xué)的海洋生物學(xué)家邁克爾·哈德菲爾德（Michael Hadfield）發(fā)現(xiàn)，一些海洋蠕蟲的幼蟲只有在遇到細(xì)菌時(shí)才會(huì)變成成蟲，這說(shuō)明最原始的動(dòng)物起源于充滿細(xì)菌的海洋?！八鼈兒芸赡苁抢眉?xì)菌作為發(fā)育改變的信號(hào)?！彼f(shuō)。

恩蓋也支持其他一些觀點(diǎn)，比如一個(gè)有關(guān)免疫系統(tǒng)適應(yīng)性的觀點(diǎn)。免疫系統(tǒng)是脊椎動(dòng)物特有的，目標(biāo)是用特定抗體對(duì)抗外來(lái)微生物威脅，使免疫系統(tǒng)保存記憶。對(duì)于烏賊等無(wú)脊椎動(dòng)物較為簡(jiǎn)單的先天免疫系統(tǒng)（只存在一些壽命短暫的防御細(xì)胞中），很多免疫學(xué)家推測(cè)，因?yàn)閴勖^長(zhǎng)，脊椎動(dòng)物進(jìn)化出獲得性免疫，這種更復(fù)雜的系統(tǒng)能較好地抵御外來(lái)病原體的入侵。

2007年，當(dāng)科學(xué)家對(duì)微生物組學(xué)的興趣有所減退時(shí)，恩蓋提出了另一種假說(shuō)。在《自然》雜志一篇《控制微生物群體》的評(píng)論中，她說(shuō)之所以進(jìn)化出獲得性免疫，是因?yàn)榧棺祫?dòng)物要控制比無(wú)脊椎動(dòng)物更復(fù)雜的微生物組，這個(gè)系統(tǒng)在支持有益微生物的同時(shí)，也遏制構(gòu)成威脅的微生物。

不是所有人都認(rèn)同這個(gè)假說(shuō)。圣地亞哥州立大學(xué)的免疫學(xué)家福雷斯特·羅韋爾（Forest Rohwer）指出，盡管珊瑚缺乏獲得性免疫，但其周圍有大量復(fù)雜的微生物組。他還認(rèn)為獲得性免疫能讓脊椎動(dòng)物調(diào)節(jié)自身的大型微生物組?！斑@是對(duì)免疫系統(tǒng)不一樣的解讀，”道格拉斯說(shuō)，“是一種很有代表性的觀點(diǎn)，人們可以同意或不同意。如果有人說(shuō)‘還記得那篇文章嗎’，所有人都明白是指什么。這些觀點(diǎn)用非常明智的方式向傳統(tǒng)觀念發(fā)起了挑戰(zhàn)。”

一次重要的革命

恩蓋不但表現(xiàn)出科學(xué)家的勇氣，更散發(fā)著女政治家的自信。朋友都說(shuō)她像個(gè)女王。她對(duì)生物-微生物之間相互作用的重要性是如此的深信不疑，以至于她的講話看似是在傳道?！艾F(xiàn)在我們知道微生物構(gòu)成了生物圈巨大的多樣性，而且動(dòng)物生物學(xué)是通過(guò)和微生物相互作用形成的，”她說(shuō)，“在我看來(lái)，這是繼達(dá)爾文之后一次最重要的生物學(xué)革命?！?/p>

2005年，當(dāng)美國(guó)微生物學(xué)會(huì)被傳染性疾病研究所主導(dǎo)時(shí)，她說(shuō)服該學(xué)會(huì)舉行了第一個(gè)有關(guān)益生菌的學(xué)術(shù)會(huì)議，時(shí)至今日，這個(gè)會(huì)議的主題一直頗受歡迎。此后她作為奧巴馬的國(guó)家科學(xué)院委員會(huì)成員，參與勾勒21世紀(jì)美國(guó)生物學(xué)研究的發(fā)展方向。2012年，她幫助紐曼開設(shè)了一門新課，用微生物作為開篇給本科生講授生物的原理，為此她必須在假期里經(jīng)常從麥迪遜飛往帕薩迪納。

恩蓋用自己對(duì)烏賊的熱情打造了一個(gè)學(xué)術(shù)王朝。迄今，已經(jīng)培養(yǎng)了數(shù)十名科學(xué)家，其中16人仍在研究微生物的共生現(xiàn)象，成為了各自實(shí)驗(yàn)室的帶頭人。不過(guò)她認(rèn)為“我發(fā)展了這個(gè)領(lǐng)域，卻‘吞噬’了年輕人的成長(zhǎng)空間，這不是什么好事?！睘榇?，恩蓋和魯比每年都主辦一個(gè)名為Pow-Wow的學(xué)術(shù)討論會(huì)，邀請(qǐng)已經(jīng)建立起自己實(shí)驗(yàn)室的博士后來(lái)講述他們研究的方向，交流分享各自的研究成果，或者一些新的想法。魯比說(shuō)：“如果有人說(shuō)‘我也想那么做’，與會(huì)者就會(huì)和有這一想法的人深入交談。”

雖然有交流的歡樂，但他們還必須為有限的經(jīng)費(fèi)而競(jìng)爭(zhēng)?！拔疑暾?qǐng)研究項(xiàng)目時(shí)被告知，‘我們已經(jīng)資助了某某或某某人，經(jīng)費(fèi)已所剩無(wú)幾了。’”恩蓋早期的學(xué)生斯賓塞·尼霍姆（Spencer Nyholm）說(shuō)。他目前在康乃狄格州大學(xué)工作。“我不能想象，如果有人打算研究果蠅、線蟲或小鼠時(shí)他們還會(huì)這么說(shuō)?！?/p>

恩蓋說(shuō)她的事業(yè)正處于起步階段。在研究中她們發(fā)現(xiàn)，有時(shí)一些不會(huì)發(fā)光的費(fèi)氏弧菌也會(huì)寄生到烏賊身上，但烏賊會(huì)通過(guò)發(fā)光器官中的光敏蛋白從約100萬(wàn)個(gè)發(fā)光細(xì)菌中將那幾個(gè)異類清除。目前團(tuán)隊(duì)正在研究烏賊是如何做到這一點(diǎn)的——這或有助于解釋人類和其他脊椎動(dòng)物是如何控制更復(fù)雜的微生物組的。

團(tuán)隊(duì)同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，烏賊與費(fèi)氏弧菌的之間的關(guān)系在一天之中會(huì)有所變化，即控制微生物只在夜里發(fā)光。2013年，恩蓋從前的學(xué)生伊麗莎白·希斯-赫克曼（Elizabeth Heath-Heckman）發(fā)現(xiàn)，費(fèi)氏弧菌能通過(guò)影響一個(gè)基因，反過(guò)來(lái)影響烏賊的晝夜節(jié)律，這個(gè)基因會(huì)產(chǎn)生一種名為隱花色素的蛋白，影響大多數(shù)動(dòng)物晝夜節(jié)律。隱花色素通常被環(huán)境光激活，但是赫克曼發(fā)現(xiàn)，烏賊體內(nèi)一種隱花色素基因只對(duì)費(fèi)氏弧菌發(fā)出的藍(lán)色光有反應(yīng)，使蛋白產(chǎn)量迅速提升。

基于這項(xiàng)研究，團(tuán)隊(duì)預(yù)言了人體內(nèi)的微生物組的互相作用可能也隨日夜交替。很快，證據(jù)便出現(xiàn)了。2014年，以色列的一個(gè)小組發(fā)現(xiàn)，人體腸道中很大一部分微生物的豐度在24小時(shí)的周期內(nèi)有升有降。例如，經(jīng)常倒時(shí)差會(huì)打亂這些節(jié)奏而導(dǎo)致體重增加。

“有一件事情我們經(jīng)常灌輸給那些來(lái)實(shí)驗(yàn)室參觀的人，”魯比說(shuō)，“之所以對(duì)烏賊上心，是因?yàn)闉踬\能幫助回答我們想要知道的一些重要問(wèn)題?！睘榱私鉀Q這些未決問(wèn)題，恩蓋和魯比將返回夏威夷火奴魯魯?shù)奶窖笊锟茖W(xué)研究中心。這是一個(gè)圓夢(mèng)的地方，讓她們?nèi)プ鲎约合矚g的事——滑板和徒手沖浪，順便還可以在月光下觀察烏賊。

“這個(gè)方向曾經(jīng)是一潭死水，”恩蓋說(shuō)，“如今卻是領(lǐng)域中的排頭兵?？粗藗冋J(rèn)識(shí)到微生物才是這個(gè)宇宙的中心，看著這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)入興旺時(shí)期，我覺得非常非常的有趣?！?/p>

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：則鳴]