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失落的一塊拼圖:發現連結腦與免疫系統的腦內淋巴管

動眼神經
・2015/06/10 ・1393字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

維吉尼亞大學醫學院(University of Virginia School of Medicine)的研究團隊,發現一條直接連接大腦與免疫系統的淋巴管,這很可能改寫全球的教科書。

令人驚訝的是,這條淋巴管居然能逃過詳徹的全身淋巴系統偵測如此多年。這條特別的淋巴管,將補足過去淋巴系統於中樞神經系統中所缺失的一塊。此項發現的中樞神經淋巴系統,迫使過去神經免疫學的基礎假設要重新評估,並可能揭示與免疫系統障礙相關的神經炎、及阿茲海默症等退化性神經疾病的病因。

因為發現了腦有腦膜淋巴管,科學家可以像討論其他與周邊神經系統相連的組織一樣,從機制面上探討免疫相關的神經疾患。維吉尼亞大學腦免疫與神經膠細胞中心(UVA’s Center for Brain Immunology and Glia, BIG)主任Jonathan Kipnis教授說:「這項發現完全改變了我們看待神經與免疫的交互作用。之前我們一直認為它是深奧而無法進行研究的東西,但現在我們能夠很務實地從機制面來提問了。」

人體中的新發現

維吉尼亞大學神經科學系(UVA Department of Neuroscience)主任Kevin Lee教授對於Kipnis實驗室研究發現的第一個反應是:「他們即將改寫教科書!」他表示,中樞神經系統中從來就不曾存在淋巴系統,但很明顯地,這第一次非凡的觀察,將徹底改變人們看待中樞神經系統與免疫系統之間的關係。

儘管Kipnis起初抱著懷疑的心態,不相信居然有人們從未注意到的結構存在在人體中。他們在發現那條淋巴管之後,做了許多研究以鞏固其研究發現。他說:「我以為這項發現早該在中世紀時結案,但很顯然並不是。」

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左:傳統的淋巴系統圖;右:因應新發現而重新繪製的淋巴系統圖(credit: University of Virginia Health System)

藏得非常好

這項發現因為Kipnis實驗室中的Antoine Louveau博士後研究員而誕生。 Louveau發展了一種方法來把老鼠的腦膜(覆蓋在大腦上的薄膜)安放在一個切片上,以便以一個整體的方式來檢查。他們把腦膜固定在顱骨內,好讓組織能妥當地在其原本的生理環境之中,然後再進行解剖。如果用其他方法執行,將不會是這樣的結果。

在注意到他切片上免疫細胞中類似血管圖樣的分佈,他做了淋巴管的測試,於是不可能成真了。

Kipnis 形容這淋巴管「藏得非常好」,並提到它沿著一條主要的血管一路通到靜脈竇:一個難以造影的地方。他說:「它太靠近血管了,如果你不知道你在找什麼,你必定會錯過它!」

Kipnis說:「這些淋巴管的即時的影像至關重要地展示了它們的功能,若不是與Tajie Harris合作,這是不可能成真的。」Harris博士,是神經科學系的助理教授也是BIG中心的一員。Kipnis亦向擁有驚人外科技巧的副研究員Igor Smirnov致敬,因為他也在此項造影的成功中扮演了關鍵的角色。

阿茲海默症、自閉症、多發性硬化症……以及更多

這意外發現的淋巴管,揭示了數億千計需被回答的,不管是關於大腦的運作、還是阻礙其運作的問題。以阿茲海默症為例, Kipnis表示:「阿茲海默症的患者的大腦中有許多蛋白質的累積。我們認為他們會積聚在大腦,可能是因為他們無法被有效地被這些淋巴管排除。」他指出,淋巴管在不同年齡看起來是不同的,所以他們在退化中所扮演的角色則是另一條可探索的途徑。而其他從自閉症到多發性硬化症等數量龐大的神經系統疾病,必須根據科學上存在的東西而非不存在的東西去重新思索。

參考資料:

  1. University of Virginia Health System. (2015, June 1). Missing link found between brain, immune system; major disease implications. ScienceDaily. Retrieved June 10, 2015 from www.sciencedaily.com/releases/2015/06/150601122445.htm
  2. Missing link found between brain, immune system — with profound disease implications. University of Virginia Health System [01 Jun, 2015]
  3. Louveau, A. et al. (2015) Structural and functional features of central nervous system lymphatic vessels. Nature. DOI: 10.1038/nature14432

文章難易度
動眼神經
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曾經的泛科實習生S編,現在的動眼神經。 大叔魂少女心,說走就走的效率姐。喜歡接觸新事物,有一點資訊焦慮症;喜歡把想法化為文字,相信文字的力量能夠讓世界變得更美好。


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隱翅蟲的毒液生化武器,演化上如何組裝而成?

寒波_96
・2022/01/17 ・3910字 ・閱讀時間約 8 分鐘

隱翅蟲是一群小型甲蟲的總稱;牠們以毒聞名,卻不見得都具有毒性。有些隱翅蟲會生產毒液儲存在身體裡,需要時噴射攻擊。毒液不只是嚇唬人的工具,像是跟螞蟻搶地盤這類場合,生化武器能發揮實在的優勢。

本文沒有真實隱翅蟲的圖像,閱讀時不用擔心。

隱翅蟲毒液的用途之一:攻擊螞蟻。圖/參考資料 1

隱翅蟲的毒液包含毒素和溶劑兩部分,有意思的是,兩者是獨立生產;溶劑本身沒有毒,毒素單獨存在也沒多少毒性。兩者極為依賴彼此,生產線卻是獨立運作,此一狀況是怎麼形成的?一項新研究投入大筆資源,便探討其演化過程。

「毒」加「液」才有毒液

這項研究探討的隱翅蟲叫作 Dalotia coriaria,為求簡化,本文之後稱之為「隱翅蟲」。它的毒素並非導致隱翅蟲皮膚炎的隱翅蟲素 (pederin) ,切莫混淆。

隱翅蟲的毒液發射器位於背上,體節的 A6、A7 之間,這兒有部分表皮細胞特化成儲存囊壁,並分泌脂肪酸衍生物作為溶劑。而毒素為配備苯環的化學物質 benzoquinone(苯醌),簡稱 BQ;另有一群細胞專門生產 BQ,再運送到儲存囊,和其中的脂肪酸衍生物混合後形成毒液。

生產毒素和溶劑的細胞,是兩類完全不一樣的細胞,各有不同的演化歷史。隱翅蟲的祖先,沒有毒素也沒有溶劑,兩者都可謂演化上的創新 (novelty) 。

一類細胞製毒,另一類細胞產液,兩者合作才有毒液。圖/參考資料 1

論文將生產溶劑的細胞稱為「溶劑細胞」;分析成分得知溶劑總共有 4 種,是碳數介於 10 到 12 的脂肪酸衍生物。合成脂肪酸,本來就是各種生物的必備技能,但是溶劑細胞製作的脂肪酸衍生物,原料並非一般常見的脂肪酸。

脂肪酸的合成,都是以 2 個碳的基礎材料開始,作為類似 PCR 中引子 (primer) 的角色,然後由 FAS(全名 fatty acid synthase)這類酵素一次加上 2 個碳,2、4、6、8 碳一直加上去。人類的 FAS 通常會製作長度為 16 碳的棕櫚酸,昆蟲則會造出 14、16、18 碳的最終產物。

隱翅蟲的溶劑細胞中,脂肪酸衍生物只有 10 到 12 個碳,比 FAS 一般的產物更短。奇妙的是,這兒的脂肪酸並非由 14 或 16 個碳縮短而來,而是溶劑細胞內 FAS 的最終產物直接就是 12 個碳。

隱翅蟲毒液的組成物,碳鏈長度介於 10 到 12 個碳,4 種脂肪酸加工而成的衍生物作為溶劑;3 種 BQ 作為毒素。圖/參考資料 1

改造脂肪酸合成線路,製作溶劑

要闡明其中奧妙,必需先稍微認識昆蟲的脂肪酸合成系統。昆蟲有一群特殊的脂肪酸衍生物,稱為「表皮碳氫化合物(cuticular hydrocarbon,簡稱 CHC)」,具有防止水分散失、費洛蒙等作用。

表皮碳氫化合物多半由 oenocyte 所製造(類似人類的肝細胞),在 FAS 酵素催化形成 14 到 18 個碳長的脂肪酸以後,繼續由延長酶 (elongase) 增加長度,去飽和酶 (desaturase) 加上雙鍵,最後經過兩道尾端的還原手續,分別由 FAR(全名 fatty acyl-CoA reductase)和 CYP4G(全名 cytochrome p450 family 4 subfamily G)兩類酵素執行,產生通常介於 20 到 40 個碳長的產物。

隱翅蟲溶劑細胞和 oenocyte 的脂肪酸生產線的比較,兩邊多數酵素種類是重複的,但是每一類酵素都有好幾個,兩邊各自使用的酵素不一樣。圖/參考資料 1

隱翅蟲和其他昆蟲一樣,oenocyte 細胞內有完整的表皮碳氫化合物生產線,每一步驟的酵素一應俱全。比對可知,溶劑細胞內也有一條脂肪酸衍生物的產線,顯然是由表皮碳氫化合物的生產線改版而成。

隱翅蟲至少有 4 個 FAS 基因,3 個負責製作一般的脂肪酸和表皮碳氫化合物,只有一個特定的 FAS 參與溶劑生產,專職在溶劑細胞中大量表現,製造 12 碳的脂肪酸,最後也由 FAR 和 CYP4G 收尾形成衍生物。值得一提,已知產物長度為 12 碳的 FAS 酵素相當罕見。

溶劑細胞和表皮碳氫化合物的生產線,兩者都有 FAS、FAR、CYP4G 三類酵素,但是在溶劑細胞作用的三種酵素,都不管其他細胞的脂肪酸合成。除此之外,有時候還有另一種酵素 α-esterase 的參與。依靠這些專門在溶劑細胞工作的酵素們,隱翅蟲能生成 4 種溶劑。

溶劑細胞內,4 種脂肪酸衍生物的合成過程。acetyl-CoA 作為引子,由 FAS 以 malonyl-CoA 為材料,一次加上 2 個碳,再分別經還原酶或 α-esterase 加工。圖/參考資料 1

演化上,隱翅蟲並沒有捨棄原本的脂肪酸生產線,整套都還存在;相對地,隱翅蟲在少數特定細胞新增一條產線,不影響原本的重要部門。這是隱翅蟲在遺傳和細胞層次的演化創新。

改造粒線體代謝線路,生產毒素

類似的狀況,也在毒素生產線觀察到。隱翅蟲的毒素,也是由原本有重要功能的古老生產線,調整再改版而成。

論文將生產毒素的細胞稱為「BQ 細胞」,這部分沒有溶劑細胞了解的那麼詳盡,不過經由碳的穩定同位素追蹤,還是得知毒素原料來自食物中的氨基酸:酪胺酸 (tyrosine) ,經過一系列加工後形成 BQ。

這條生產線上有個關鍵酵素叫作 laccase,它一般的功能是參與 Coenzyme Q10,也就是 ubiquinone 的合成。這是粒線體有氧代謝中的重要成分,對生存不可或缺。和其他甲蟲相比,隱翅蟲多出一個 laccase 酵素,專門在 BQ 細胞表現,將 HQ (hydroquinone) 催化成 BQ 作為毒素。

由此看來,隱翅蟲祖先演化出溶劑和毒素的道理是一樣的。

溶劑方面,以舊的表皮碳氫化合物生產線為基底,改用多個新酵素基因,形成新的生產線。毒素方面,源自古老的粒線體代謝線路,同樣加入新的酵素基因,改版後變成毒素產線。兩者各自皆為遺傳與細胞層次的新玩意,合在一起則衍生出功能上的演化創新。

由粒線體代謝線路改版而成的 BQ 毒素生產線,有一個專職生產毒素的 laccase(Dmd)酵素參與。圖/參考資料 1

組合新功能,一步一步累積有利變異

這項研究有許多潛在的討論方向,有興趣的讀者可以自行鑽研。像是生物學研究者能估計所有實驗耗資多少,感受自己的微渺(例如為了分辨不同細胞的作用,論文使用大量昂貴的「單細胞轉錄組 single cell transcriptome」進行分析)。這邊只提兩點。

第一點有趣的問題是:隱翅蟲的溶劑和毒素要同時存在才有效果,可是演化上是哪個先出現呢?論文推測是溶劑細胞先出現。

假如只有 BQ 這類毒素存在,殺傷效果非常差(論文用果蠅幼蟲做實驗),但是溶劑細胞的產物,即使不作為 BQ 的溶劑,脂肪酸衍生物也可以有其他用途,像是潤滑油之類的,或是扮演別種物質的溶劑。

想來新的脂肪酸生產線比較可能先出現,扮演某些不是太重要的角色,接著再加入 BQ;毒素加上溶劑,兩者合體產生新的強大功能,脂肪酸生產線又由於獲得新功能而調整優化,最終形成現在的樣貌。

替隱翅蟲帶來優勢的毒液,由兩個原本獨立的部門組合而成。圖/參考資料 1

第二點有趣的是,這回發現產物為 12 碳的 FAS 酵素。乍看沒什麼,影響卻很關鍵。

FAS 這類酵素的差異,在於催化生成的脂肪酸最終產物有幾個碳(或是說,可以加到幾個碳那麼長);已知幾乎皆為 14、16、18 個碳,隱翅蟲的溶劑細胞表現的 FAS 卻是 12 個碳。好像只差一點,然而實際測試發現,脂肪酸衍生物超過 13 個碳,作為 BQ 溶劑的效果便會差一大截。

也就是說,隱翅蟲倘若沒有脂肪酸產物僅 12 碳長的 FAS,儘管仍然可以生成溶劑,毒性將弱化不少。由此推想,隱翅蟲如今威力強大的毒液,並非透過少數變化一次到位,而是逐漸累積有利變異的結果。

想得更遠一點,由兩種細胞合作衍生而成的毒液,可以視為由多種細胞合夥,複雜器官的最簡單版本。原本不相關的各式細胞們,持續累積一個一個微小的改變,也有機會組合發展成複雜的組織或器官。

延伸閱讀

參考資料

  1. Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system.
  2. A beetle chemical defense gland offers clues about how complex organs evolve

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。