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白線斑蚊的基因體告訴我們什麼?

葉綠舒
・2015/12/18 ・1562字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 527 ・七年級
1200px-Aedes_Albopictus
白線斑蚊。圖片來源:wiki

白線斑蚊(又名亞洲虎蚊 Asian tiger mosquito)的基因體已經定序完成了。對於這位臺灣的原住民,我們目前從基因體學會了多少呢?

我們先來看一下一些關於白線斑蚊基因體的冷知識。

白線斑蚊的冷知識
圖片製作:老葉

白線斑蚊是亞洲原產,原本的活動區域只有東亞(包括臺灣)、西太平洋與印度洋等區域,但在過去四十年間,成功的散佈到全世界;目前除了南極洲以外,都可以看到牠。

最近在台灣令人聞風喪膽的登革熱(dengue fever),白線斑蚊是重要的病媒蚊。除了登革熱以外,白線斑蚊還能傳播另外25種病毒,包括黃熱病、屈公病(Chikungunya fever)等。因為牠會在白天活動,跟埃及斑蚊(Aedes aegypti)不同,所以防治上也要注意這一點。

雖然對登革熱來說,埃及斑蚊才是主要的病媒蚊;但最近的幾次登革熱疫情,包括在中國、夏威夷、加蓬(Gabon,在非洲)以及歐洲,牠都擔任了重要的角色。而且在過去也曾發現屈公病病毒發生突變,使自己更適應白線斑蚊,提高傳播的效率。

白線斑蚊的基因體有十九億六千七百萬個鹼基對(1967 Mb),是目前已經定序的蚊類中最大的。第二名是埃及斑蚊,有十三億七千六百萬的鹼基對(1376 Mb)。但是這麼大的基因體,超過三分之二(68%)都是重複的序列;也因為這樣,雖然有這麼大的基因體,但只有17,539個基因,比起基因體只有牠的三分之一弱(540 Mb)的家蚊屬的Culex quinquefasciatus有18,883個基因,白線斑蚊的基因少了百分之八。這些重複的序列裡,有許多都在過去一千萬年左右出現。

除了重複的序列(主要由反轉錄轉位子retrotransposon組成)以外,白線斑蚊的基因中帶有186個負責解毒的細胞色素氧化酶P450基因(CYP,cytochrome-oxidase P450),相對埃及斑蚊只有168個,甘比亞瘧蚊(An. gambiae)只有104個,果蠅(D. melanogaster)只有87個。其中代謝除蟲菊精(pyrethroid)的CYP9J基因也找得到。

除了抗除蟲菊基因外,白線斑蚊還帶有「兩份」抗有機磷類殺蟲劑(temphos)的基因CCEae3A。這類的殺蟲劑屬於神經毒素,不但吃下去有毒,接觸到也有毒性。白線斑蚊的基因體中,除了CCEae3A基因以外,還有其他63個羧基/膽鹼酯酶(CCE,carboxyl/cholinesterase)的基因,與埃及斑蚊和家蚊屬相當。

另外,白線斑蚊還有32個穀胱甘肽 S-轉移酶(GST,glutathione S-transferase)基因,比埃及斑蚊、甘比亞瘧蚊多,但比果蠅少。這類的基因也跟抗殺蟲劑有關。另外,白線斑蚊還有71個ABC基因(同類中最多),這類的基因也與抗藥性有關連。有這麼多的抗藥基因,也就難怪白線斑蚊是非常成功的入侵物種了!

除此之外,白線斑蚊還有86個氣味結合蛋白(OBP,odorant-binding protein)與158個嗅覺受體(OR,odorant receptor)。與其他生物相比,黑斑蚊屬(Aedes)的蚊子在嗅覺相關基因上是最多的,超過家蚊屬(Culex)與瘧蚊屬(Anopheles)。而目前所知的所有的蚊子的嗅覺基因都比果蠅多。不知道這是否意味著黑斑蚊的嗅覺是所有蚊類最好的?

有意思的是,在白線斑蚊的基因體中,有不少黃病毒屬(flavivirus)的基因。雖然埃及斑蚊也有,但是在白線斑蚊的基因體中存在的病毒基因更多樣。光是登革熱病毒的基因,在白線斑蚊體內就共可以找到24個完整或不完整的序列。由於這些序列的邊界沒有重複的序列存在,顯示了它們應該是透過重組、而非轉位來進入白線斑蚊的基因體中。

從這些基因體定序的資料,我們不難理解為何白線斑蚊成為世界級的害蟲;加上牠還有71個滯育(diapause)基因,這些基因可以讓牠在胚胎、幼蟲、成蟲時期,遇到環境不適合的時候,便減緩或停止生長以及降低代謝率,好讓自己可以熬過去。筆者想,要對付這個可怕的敵人,大概就只能多多清潔居家周圍的環境了!

參考文獻:

  • Xiaodong Fang and Anthony A. James et. al. 2015. Genome sequence of the Asian Tiger mosquito, Aedes albopictus, reveals insights into its biology, genetics, and evolution. PNAS. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1516410112

本文轉載自作者部落格


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霍亂也有自己的免疫系統?想要入侵人體,卻不想被感染!

寒波_96
・2022/05/19 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

由霍亂弧菌(Vibrio cholerae)引發的霍亂,是常見的人類傳染病。有意思的是,霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌,本身也會被病毒等異形入侵,有免疫的需求。

引起霍亂的霍亂弧菌。圖 / Wikimedia

在最近發表的論文中,霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法,不但能抵抗病毒,還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運?質體又是什麼呢?[參考資料 1, 2]

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥:細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣,都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外,細菌也常常配備額外的「質體(plasmid)」,它們是 DNA 圍成的圈圈,獨立於細菌的染色體之外,具有自己的遺傳訊息,會自己複製。

細菌的遺傳物質,除了自己的染色體外,時常還額外攜帶數量不一的質體。圖/Bacterial DNA – the role of plasmids 

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲,那麼對細菌來說,質體就是個占空間的東西,只會耗費宿主的資源,對細菌是最差的狀況。但是,質體上也有基因,如果那些基因具備抗藥性等作用,那質體便對細菌有利。換句話說,質體和細菌的關係並不一定,有可能是有利、有害,或是沒有利也沒有害,視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力,例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR,原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是,許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組,本身就位於質體上頭,令人懷疑其動機不單純。

比方說,A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR,那麼 A 質體的目的,到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵,或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢?不好說,不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR,還有一招是利用「Argonaute」蛋白質,啟動針對質體的排外機制;有時候兩者兼備,就是不給質體活路。[參考資料 3]

了解上述資訊,便能體會霍亂新研究的奧妙:質體無法生存的霍亂弧菌,既沒有 CRISPR,亦沒有 Argonaute,卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中,霍亂就是一款危害人類的傳染病,不過野生的霍亂弧菌有很多品系,除了 O1 和 O139 兩個亞型之外,大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行,目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor,也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系,細菌中一般都帶著質體,可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內,一開始倒是沒什麼阻礙,可是複製繁殖十代以後的細菌,卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設,霍亂第七次大流行的主角,可能比同類們多出些什麼,讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute,應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後,從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域,稱它們為 DdmABC 和 DdmDE(Ddm 為 DNA-defence module 縮寫),兩者各自都有排擠新質體的能力,一起合作效果更好。

霍亂弧菌有 2 個染色體(左、右),DdmABC 位於第一號染色體(左)的 VSP-II 區域(圖中寫成 VSP-2),DdmDE 位於 VPI-2 區域。圖/Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae

兩套手法獨立運作,就是不要讓質體留下!

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體,但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊,令質體無法繼續在細菌體內生存,尤其容易攻擊比較小的質體;這個攻擊過程中,應該有其他蛋白質參與,不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE,其基因周圍還有兩套免疫系統的基因:R/M 與 Zorya,它們的任務都是消滅入侵的噬菌體(感染細菌的病毒)。因此霍亂的染色體上,這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地,稱為防禦島(defence island)。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法,霍亂如果攜帶質體,不論質體自身大小,DdmABC 都會產生毒性;這使得質體數目較少的細菌,繁殖時產生競爭優勢,多代以後脫穎而出的霍亂,將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是,霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體,也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統,同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

霍亂弧菌中 DdmABC 與 DdmDE 為兩套獨立運作的免疫系統,DdmABC 能排除入侵的病毒和質體,DdmDE 會直接攻擊質體。圖/參考資料 2

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢?在資料庫中比對 DNA 序列,ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因,所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因,所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意;幾個新基因組合形成新功能,或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出,成為第七次大流行的主角。總之,它們都通過長期天擇競爭的考驗,贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利,若是通通不要,等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂,為什麼演化成這般樣貌,值得持續探索。

一隻細菌配備對付不同入侵者的多款免疫系統,一如一艘巡洋艦配備的多款防禦系統,不論敵人從陸地、海面、空中發射飛彈,或是從海底用魚雷攻擊,都有防守的應變手段。然而,再怎麼周詳的防禦設計,都有被突破的機會。圖/wiki

戒備森嚴,多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到,細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物,也配備多重免疫系統,抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說,它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制,以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法,能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌,又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統,精準識別目標並且攻擊,類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質,使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫,無差別切割入侵者的 R/M 系統,其各種限制酶(restriction enzyme),早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具,可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統,除了增加學術知識,也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥,不只能認識更多免疫與演化,也可能找到對付細菌的新招,還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

參考資料

  1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
  2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
  3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

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》。