【論文故事】昆蟲能產幾丁質，脊椎動物也能！ | 科學人 | 果殼網 科技有意思

春天到了，萬物復蘇了，又到了昆蟲們交……交相飛舞的季節。從蝴蝶柔軟的腹部到犀金龜堅硬的外殼，哪里有昆蟲，哪里就有幾丁質（Chitin）的身影。

甲蟲翅膀中就含有幾丁質。圖片來源：zituba/ wikipedia.org

這種多糖類物質又叫甲殼素，是節肢動物外骨骼（如蝦殼）的主要成分，也在醫藥耗材中應用廣泛。長久以來，人們一直相信只有昆蟲這樣的無脊椎動物才有幾丁質。然而，這種觀點將要被改寫了——脊椎動物也能產生幾丁質！美國貝納羅亞研究所（Benaroya Research Institute）與哈佛大學的研究人員在魚類和兩棲類的基因組里發現了編碼幾丁質合成酶的基因，并檢測到了幾丁質的存在。這項新發現近日在線發表于《當代生物學》上。

驀然回首，基因卻在數據闌珊處

“這是個非常偶然的發現。”論文的通訊作者克里斯·雨宮（Chris Amemiya）告訴果殼網科學人，早在上世紀六七十年代，科學家們就開始研究魚類和兩棲類的遺傳，并將它們作為脊椎動物的模式生物，希望借它們增進對人類自己的理解。

“2001年，惠康基金會桑格研究院開始斑馬魚基因組的測序工作。”雨宮說“在識別和注解基因時，人們主要將斑馬魚的序列和所有已知的哺乳動物基因序列（小鼠、人類）比對，以此進行標注。”然而，由于當時哺乳動物中并沒有已知的幾丁質合成酶基因，雨宮等人現在發現的基因，在那時并未被美國國立生物技術信息中心（NCBI）標注，只能帶上“未知基因”的標簽，在數據庫里沉睡了多年。

直到雨宮和同事們找到了它。

“論文的另一作者喬爾·索恩（Joel Sohn）先前一直在研究幾丁質在槍烏賊羽狀殼（gladius）。”雨宮回憶說。羽狀殼是軟體動物外骨骼內化的殘余，是一個高度幾丁質化的結構。當喬爾在無脊椎動物中搜尋幾丁質合成酶的基因時，無意中看到一篇論文，文中推測頭索動物文昌魚（lancelet）中有幾丁質合成酶基因。

頭索動物和脊椎動物同屬脊索動物門。如果文昌魚中有幾丁質合成酶基因，那么“這暗示著，如果我們走運，脊椎動物的基因組里可能也含有幾丁質合成酶的基因。”雨宮說。研究者按圖索驥，利用文昌魚的這段幾丁質合成酶基因做參考，果然在斑馬魚、爪蟾和墨西哥鈍口螈的基因組中都找到了相似的序列。

不過，僅發現基因可不能算數。一個基因要真正發揮功能，得先等自己的信息被“轉錄”成RNA——通常是信使RNA——來給細胞里其它的“零件”參閱加工才行。只有找到基因，檢測到RNA，再找到對應的幾丁質合成酶，以及最終合成出的幾丁質，我們才能確定這個基因在正常工作。

斑馬魚幼魚體內的幾丁質探針（紅色）揭示幾丁質的分布。圖片來源：研究論文

好事多磨，皇天不負有心人

研究者們隨后在斑馬魚的胚胎中檢測到了相應的RNA，然而在斑馬魚中尋找幾丁質的過程，卻沒有那么順利。雨宮的實驗室和哈佛韋斯仿生工程研究所的哈維爾·費爾南德斯（Javier Fernandez，目前已轉到新加坡科技設計大學工作）在試圖提取幾丁質時被“坑”了。

“費爾南德斯和索恩的化學純化工作，被另一份在線發表的報告牽累了。”雨宮告訴科學人，“那份報告表明，用常規的幾丁質提取方法就能在魚鱗中獲得可觀的幾丁質。在數次重復失敗后，我們意識到這份報告很具誤導性——如果不能稱之為明擺著的謬誤的話。”

最終，研究者只好另辟蹊徑。雨宮說：“最終，我們推斷魚類和兩棲類中的幾丁質含量非常低，這意味著費爾南德斯必須開發出一套十分嚴苛的方法來提取魚鱗中的微量幾丁質。”經過艱難努力，團隊最終從魚鱗中提出了幾丁質，而提取物的紅外色譜分析結果和無脊椎動物的幾丁質相差不大。

后來，他們又在墨西哥鈍口螈的身上“探測”到了幾丁質，這才最終確證它們都能自己合成幾丁質。“因為它在脊椎動物中的含量太少了，傳統的提取方式又不奏效，所以之前沒有在脊椎動物中發現它一點都不奇怪。”雨宮補充道。

墨西哥鈍口螈前肢中的幾丁質探針（紅色）。圖片來源：研究論文

“要是以后人們發現大部分魚類，甚至是大部分兩棲類，都有幾丁質，我們一點都不會吃驚。”雨宮坦言。他告訴科學人：“除了斑馬魚和鮭魚外，我們還能從黑線鱈和鯉魚的魚鱗中提取出幾丁質。此外，我們的論文還表明，從基因序列相似性來看，許多種類的魚都有這段基因，其中甚至還有在演化上很早就分支出去的物種。”

這些發現，一舉打破了“脊椎動物不產生幾丁質”的舊認識。

功能未知，未來研究任重道遠

不過，盡管這一重大發現革新了人們對幾丁質的認識，研究者卻依然不知道它們在這些魚和兩棲動物生長發育和各種生命活動中的作用，很有必要深入了解這些方面。他們這個團隊也將就此繼續展開研究。

“幾丁質在脊椎動物中的作用目前尚不消楚，但我們已根據它在無脊椎動物中的作用作出了一些假設。”雨宮向科學人介紹道，“例如，在夏威夷耳烏賊（Euprymna scolopes）里，幾丁質就存在于它們的血細胞中：這種細胞會分泌幾丁質來吸引共生的熒光細菌，讓它們的發光器得以發光。眾多發光魚類中會不會具有類似的系統？”

此外，“我們也在一些間質組織中發現了幾丁質，這暗示著它可能參與了組織修復或再生。當然，我們也有可能發現它在脊椎動物中更多的新奇作用。我們感覺自己當下只是觸及了皮毛而已。”他說，“有太多的問題要回答了，我們在未來很長一段時間內都將致力于此。”

“魚類也會產生幾丁質”也勢必會引起眾多產業領域的關注。“一些漁民會用幾丁質合成酶抑制劑來除去海蝨等寄生蟲。而幾丁質也存在于魚類中，可能對魚兒的發育和功能都很重要。”雨宮指出，“這就對該類除蟲劑的繼續使用提出了問題。這類化合物已經作為除蟲劑在農林業中使用了好幾年了。”

而在人類應用方面，“幾丁質被用于制造生物醫學器件，如縫合線、止血繃帶、藥物膠囊，以及組織工程中的支架。因此，對幾丁質在體內（in vivo）利用情況的了解可能有助于這些應用的改良。”雨宮說。（編輯：Calo）

參考文獻：

1. Tang et al., Chitin Is Endogenously Produced in Vertebrates, Current Biology (2015), http://dx./10.1016/ j.cub.2015.01.058

文章題圖：研究論文