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

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，通過對烏賊與微生物共生關(guān)系的研究，美國麥迪遜威斯康星大學(xué)的動物學(xué)教授瑪格麗特·M·恩蓋改變了學(xué)界過去認為的微生物是導(dǎo)致疾病元兇的觀點，為微生物組學(xué)研究做出了重要貢獻。

水族箱看似空空如也，其實不然，底砂中還隱隱露出一對眼睛。它究竟是什么？當用碗將其撈出后，它看似像一個榛果松露，又小又圓，渾身長著斑點。輕輕搖動后，附在它身上的沙粒便脫落下來，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：它的下腹有兩個發(fā)光器官，里面滿是會發(fā)光的費氏弧菌（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，“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)麥迪遜分校的動物學(xué)家瑪格麗特·M·恩蓋（Margaret M·Ngai）看來，“這種烏賊如此美麗，是絕佳的實驗生物?！?/p>

開創(chuàng)自己的領(lǐng)域

恩蓋對于烏賊和費氏弧菌之間的關(guān)系非常感興趣，她花了26年的時間進行研究。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。這種細菌打敗了其他微生物，與宿主建立了完全忠誠的關(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)育過程，改變其身體結(jié)構(gòu)。

當1978年恩蓋開始其學(xué)術(shù)生涯時，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，基因測序技術(shù)的進步使得科學(xué)家辨別出人和動物體內(nèi)數(shù)萬億種的微生物，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。對此，加州理工學(xué)院的地球生物學(xué)家黛安娜·紐曼（Dianne Newman）評價道：“恩蓋在該領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究，使微生物組學(xué)成為一個很有吸引力的方向?！?/p>

不過，微生物組學(xué)的研究可謂喜憂參半?？茖W(xué)界的關(guān)注點主要集中在微生物（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，他們有時會研究恩蓋的烏賊-細菌共生模型，因為這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：“我認為，這一系統(tǒng)的重要性不容忽視?！?/p>

盡管烏賊是個冷門的方向，但卻與恩蓋的個性有關(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，她也樂于嘗試。我問為什么要這么做，她回答說‘你永遠不知道高速公路什么時候封閉，我只想尋找到其他的路?！@也是她做研究的方式，不會追隨潮流。她總是另辟捷徑?！?/p>

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)光細菌的鲾魚，想弄清鲾魚身上的這種發(fā)光細菌是如何形成的。她失敗了。這種魚幾乎不可能在實驗室培養(yǎng)。當時，一個同事對她提到了烏賊，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，恩蓋來到了夏威夷。

1989年，恩蓋在南加州大學(xué)有了自己的實驗室，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，有些寄生生物會向宿主提供一些營養(yǎng)素，而烏賊與細菌的關(guān)系則不是這樣。盡管沒有費氏弧菌，烏賊也可以生存，這卻增加了恩蓋的工作難度，即分別進行飼養(yǎng)并觀察它們第一次相遇的過程。

變PAMP為MAMP

首先，恩蓋得找到一個對細菌比較了解的合作者。魯比說：“我想我是她找到的第三個微生物學(xué)家，不過是第一個說yes的?！彼齻冊诼迳即壣险n時相遇。從恩蓋開始研究烏賊以來，他們就成為了專業(yè)上的合作伙伴。德國馬克斯·普朗克研究所海洋微生物學(xué)家尼科爾·杜比利埃（McFall-Ngai）說：“我認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構(gòu)工作，后來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。他們知道費氏弧菌在幾個小時內(nèi)就能寄居到烏賊身上，不過，這種細菌是如何進入發(fā)光器官的？而其他的海洋細菌在數(shù)量上超過它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，魯比則在細菌中轉(zhuǎn)入熒光蛋白，以追蹤微生物的活動模式。

經(jīng)過一段時間的觀察，盡管費氏弧菌與烏賊共生關(guān)系的一些細節(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)生一股可將細菌吸引過來的“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)，當費氏弧菌接觸到烏賊時能改變后者幾十個基因的表達，其中一些基因能表達多種抗菌化學(xué)成分，創(chuàng)造了一個大部分細菌無法生存的抑菌環(huán)境，而費氏弧菌除外。其他基因則釋放一種酶，把烏賊黏液分解成能吸引更多細菌的殼二糖。只要5個細菌細胞就能觸發(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。

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

讓人吃驚的是，恩蓋團隊在2004年發(fā)現(xiàn)，細菌攜帶的兩種分子——肽聚糖和脂多糖——是引發(fā)這些變化的原因。在當時，這兩種分子只被認為與疾病發(fā)生有關(guān)的病原體相關(guān)分子模式（PAMP），即它們會就迅速發(fā)展的感染向動物免疫系統(tǒng)發(fā)出警報。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)光器官永遠不會成熟。

對恩蓋來說，這個結(jié)果揭示了更廣闊的生物學(xué)主題：動物的生長并非只受到基因組“藍圖”的影響，寄居其體內(nèi)的微生物同樣也會產(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：“恩蓋的研究沒有停留在小范圍中?！碑敹魃w1991年提出這個概念時，就得到其他科學(xué)家的認可，他們發(fā)現(xiàn)動物的身體和免疫系統(tǒng)只有在接觸到細菌之后才能真正的成熟，從采蠅到哺乳動物概莫能外，這就是對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菌時才會變成成蟲，這說明最原始的動物起源于充滿細菌的海洋?！八鼈兒芸赡苁抢眉毦鳛榘l(fā)育改變的信號?！彼f。

恩蓋也支持其他一些觀點，比如一個有關(guān)免疫系統(tǒng)適應(yīng)性的觀點。免疫系統(tǒng)是脊椎動物特有的，目標是用特定抗體對抗外來微生物威脅，使免疫系統(tǒng)保存記憶。對于烏賊等無脊椎動物較為簡單的先天免疫系統(tǒng)（只存在一些壽命短暫的防御細胞中），很多免疫學(xué)家推測，因為壽命較長，脊椎動物進化出獲得性免疫，這種更復(fù)雜的系統(tǒng)能較好地抵御外來病原體的入侵。

2007年，當科學(xué)家對微生物組學(xué)的興趣有所減退時，恩蓋提出了另一種假說。在《自然》雜志一篇《控制微生物群體》的評論中，她說之所以進化出獲得性免疫，是因為脊椎動物要控制比無脊椎動物更復(fù)雜的微生物組，這個系統(tǒng)在支持有益微生物的同時，也遏制構(gòu)成威脅的微生物。

不是所有人都認同這個假說。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。他還認為獲得性免疫能讓脊椎動物調(diào)節(jié)自身的大型微生物組。“這是對免疫系統(tǒng)不一樣的解讀，”道格拉斯說，“是一種很有代表性的觀點，人們可以同意或不同意。如果有人說‘還記得那篇文章嗎’，所有人都明白是指什么。這些觀點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。朋友都說她像個女王。她對生物-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，而且動物生物學(xué)是通過和微生物相互作用形成的，”她說，“在我看來，這是繼達爾文之后一次最重要的生物學(xué)革命?！?/p>

2005年，當美國微生物學(xué)會被傳染性疾病研究所主導(dǎo)時，她說服該學(xué)會舉行了第一個有關(guān)益生菌的學(xué)術(shù)會議，時至今日，這個會議的主題一直頗受歡迎。此后她作為奧巴馬的國家科學(xué)院委員會成員，參與勾勒21世紀美國生物學(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。

恩蓋用自己對烏賊的熱情打造了一個學(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，成為了各自實驗室的帶頭人。不過她認為“我發(fā)展了這個領(lǐng)域，卻‘吞噬’了年輕人的成長空間，這不是什么好事?！睘榇?，恩蓋和魯比每年都主辦一個名為Pow-Wow的學(xué)術(shù)討論會，邀請已經(jīng)建立起自己實驗室的博士后來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：“如果有人說‘我也想那么做’，與會者就會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)費而競爭?！拔疑暾堁芯宽椖繒r被告知，‘我們已經(jīng)資助了某某或某某人，經(jīng)費已所剩無幾了?！倍魃w早期的學(xué)生斯賓塞·尼霍姆（Spencer Nyholm）說。他目前在康乃狄格州大學(xué)工作?！拔也荒芟胂?，如果有人打算研究果蠅、線蟲或小鼠時他們還會這么說。”

恩蓋說她的事業(yè)正處于起步階段。在研究中她們發(fā)現(xiàn)，有時一些不會發(fā)光的費氏弧菌也會寄生到烏賊身上，但烏賊會通過發(fā)光器官中的光敏蛋白從約100萬個發(fā)光細菌中將那幾個異類清除。目前團隊正在研究烏賊是如何做到這一點的——這或有助于解釋人類和其他脊椎動物是如何控制更復(fù)雜的微生物組的。

團隊同時還發(fā)現(xiàn)，烏賊與費氏弧菌的之間的關(guān)系在一天之中會有所變化，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)，費氏弧菌能通過影響一個基因，反過來影響烏賊的晝夜節(jié)律，這個基因會產(chǎn)生一種名為隱花色素的蛋白，影響大多數(shù)動物晝夜節(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費氏弧菌發(fā)出的藍色光有反應(yīng)，使蛋白產(chǎn)量迅速提升。

基于這項研究，團隊預(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小時的周期內(nèi)有升有降。例如，經(jīng)常倒時差會打亂這些節(jié)奏而導(dǎo)致體重增加。

“有一件事情我們經(jīng)常灌輸給那些來實驗室參觀的人，”魯比說，“之所以對烏賊上心，是因為烏賊能幫助回答我們想要知道的一些重要問題。”為了解決這些未決問題，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。這是一個圓夢的地方，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。

“這個方向曾經(jīng)是一潭死水，”恩蓋說，“如今卻是領(lǐng)域中的排頭兵?？粗藗冋J識到微生物才是這個宇宙的中心，看著這個領(lǐng)域進入興旺時期，我覺得非常非常的有趣。”

[資料來源：Nature][責任編輯：則鳴]