張文韜/編譯

美麗烏賊的奇妙共生——記微生物組學研究領航者瑪格麗特·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系的研究，美國麥迪遜威斯康星大學的動物學教授瑪格麗特·M·恩蓋改變了學界過去認為的微生物是導致疾病元兇的觀點，為微生物組學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。在威斯康星大學麥迪遜分校的動物學家瑪格麗特·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)自己的領域

恩蓋對于烏賊和費氏弧菌之間的關系非常感興趣，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系：它與烏賊的免疫系統(tǒng)相互作用，調節(jié)其生物鐘，甚至影響烏賊早期發(fā)育過程，改變其身體結構。

當1978年恩蓋開始其學術生涯時，微生物學家?guī)缀醵紝⑽⑸镆曌鞑≡w并導致疾病的元兇。但在最近十年中，基因測序技術的進步使得科學家辨別出人和動物體內數(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。這就是目前生物學研究中最熱門的領域之一——微生物組學研究。對此，加州理工學院的地球生物學家黛安娜·紐曼（Dianne Newman）評價道：“恩蓋在該領域的開創(chuàng)性研究，使微生物組學成為一個很有吸引力的方向。”

不過，微生物組學的研究可謂喜憂參半?？茖W界的關注點主要集中在微生物（尤其是人體內的微生物）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雜的微生物群落。人類微生物組學研究領軍人物之一、圣路易斯華盛頓大學的杰夫·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：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。’這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‘共生關系’?！?/p>

恩蓋和魯比原先在不同的研究機構工作，后來在馬諾阿的夏威夷大學的樓層相鄰，最后在麥迪遜威斯康星大學的房間相鄰。他們知道費氏弧菌在幾個小時內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系的一些細節(jié)仍有待探索，但他們發(fā)現(xiàn)，這種關系起始于新生烏賊的下腹，即布滿黏液的纖毛產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。

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)生有關的病原體相關分子模式（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，這個結果揭示了更廣闊的生物學主題：動物的生長并非只受到基因組“藍圖”的影響，寄居其體內的微生物同樣也會產生影響?？的螤柎髮W微生物學家安吉拉·道格拉斯（Angela Douglas）說：“恩蓋的研究沒有停留在小范圍中。”當恩蓋1991年提出這個概念時，就得到其他科學家的認可，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。

比如，夏威夷大學的海洋生物學家邁克爾·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。“它們很可能是利用細菌作為發(fā)育改變的信號。”他說。

恩蓋也支持其他一些觀點，比如一個有關免疫系統(tǒng)適應性的觀點。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，這種更復雜的系統(tǒng)能較好地抵御外來病原體的入侵。

2007年，當科學家對微生物組學的興趣有所減退時，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。圣地亞哥州立大學的免疫學家福雷斯特·羅韋爾（Forest Rohwer）指出，盡管珊瑚缺乏獲得性免疫，但其周圍有大量復雜的微生物組。他還認為獲得性免疫能讓脊椎動物調節(jié)自身的大型微生物組?！斑@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)?！?/p>

一次重要的革命

恩蓋不但表現(xiàn)出科學家的勇氣，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。“現(xiàn)在我們知道微生物構成了生物圈巨大的多樣性，而且動物生物學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革命?！?/p>

2005年，當美國微生物學會被傳染性疾病研究所主導時，她說服該學會舉行了第一個有關益生菌的學術會議，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院委員會成員，參與勾勒21世紀美國生物學研究的發(fā)展方向。2012年，她幫助紐曼開設了一門新課，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術王朝。迄今，已經(jīng)培養(yǎng)了數(shù)十名科學家，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的學術討論會，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?！?/p>

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早期的學生斯賓塞·尼霍姆（Spencer Nyholm）說。他目前在康乃狄格州大學工作。“我不能想象，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)，烏賊體內一種隱花色素基因只對費氏弧菌發(fā)出的藍色光有反應，使蛋白產量迅速提升。

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

“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?！睘榱私鉀Q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研究中心。這是一個圓夢的地方，讓她們去做自己喜歡的事——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]