蛋白質的突變也許導致單細胞發展成多細胞生物

作者 | 發布日期 2016 年 01 月 31 日 0:03 | 分類 生物科技 , 科技教育 follow us in feedly

我們如今熟悉的生物形態,像是狗、貓、豬、牛、大海中的魚類,大半是由多細胞構成,到底從單細胞生命發展到多細胞生物中間到底發生了什麼事?來自美國俄勒岡大學的生化學家在今年 1 月初發表於 eLife 期刊的論文公布了他們最新的研究結果──一切的起因來自 6 億年前的一個基因突變,這樣的一個隨機發生的突變使得蛋白質的功能改變,使得我們單細胞的祖先們得以演化出多細胞的生物型態,進而發展成為現今繽紛的生物樣貌。



在這項研究中,解答不少科學家們長久以來對於演化的疑問,除此之外,這項研究還有一項重要的意義,在許多例如癌症的疾病狀況下,受損的細胞會出現無法和體內其他細胞共同運作,回到如同單細胞的情況下各自為政,而這項研究的進展,可以讓我們對於細胞的協同導致演化出多細胞生物的現象了解更多。

突變在生物之中是非常重要的一個機制,突變的結果對於個體來說可能很複雜,有好有壞也有可能沒太大影響或好壞兼具。突變所導致的蛋白質改變,可以改變一個蛋白質的結構、功能以及代謝。生物體內的蛋白質有各自的功能,扮演不同的分工,而在多細胞生物之中,生理功能的運作勢必要有組織的集合眾多功能各異的蛋白質,或者能夠以一個蛋白質執行其他蛋白質的功能。這項研究便是假設由一個蛋白質進行小範圍的突變,使得這個新的蛋白質能夠擁有原本所沒有的功能,如此一來,多細胞生物的生理功能運作就有可能行得通。

這項研究首先以領鞭毛蟲(choanoflagellates)做為研究對象,因為領鞭毛蟲是和動物最相近的單細胞生物,他們能夠以單細胞的形式存在,卻也可以聚集成多細胞的群落。這些領鞭毛蟲的細胞外具有彎曲的短條狀構造,也就是鞭毛,鞭毛這個構造在許多菌種上都存在,一般來說,鞭毛的功能就像船的馬達,能夠使領鞭毛蟲在海水中不只能隨波逐流的移動,還可以朝向特定方向移動,例如往營養成分濃度高的方向前進,或者遠離有害物質。而在此項研究中,科學家們還發現領鞭毛蟲的鞭毛,在他們形成多細胞群落的過程中,扮演著非常重要的角色。也就是說,如果我們早期的單細胞生物祖先要轉變成真正的多細胞生物型態,不只是依靠鞭毛形成的聚落型態,他們的鞭毛在形成多細胞聚落時所發揮的功能,在沒有了鞭毛之後勢必需要其他蛋白質來彌補。

around.uoregon.edu

為此,科學家比對了超過 40 種的生物體內的基因,利用基因序列比對以及計算,推算出演化的過程,來重建早期的蛋白質,因此得知在古代的生物世界蛋白質的型態和運作模式。在這些過程之中,科學家們找出了使動物開始能夠以多細胞方式存在,並且再也不需要鞭毛這項重要構造。

身為俄勒岡大學生化系所的教授以及分子生物學院主任的 Prehoda 教授和他的研究團隊認為,當蛋白質隨著細胞複製產生了突變,讓新的蛋白質能夠使新的細胞有規律的定向排列,此時原先鞭毛的功能被取代,鞭毛的重要性也跟著下降。這個蛋白質的突變只不過產生一點點的不同,卻大大的改變了蛋白質的功能,並且讓生物的演化有了巨大的轉變。如今,這類型的蛋白質片段在現今所有動物基因中都存在,並且發展超過 70 種,而且在人體中找得到。

(Source:YouTube

(首圖來源:Flickr/Rikki’s Refuge CC BY 2.0)

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