看真菌如何獵殺線蟲,開啟寄生蟲治療藥物新曙光

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 27 日 8:45 | 分類 生物科技 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


自然界沒有一個物種是邊緣人,都是複雜生態系的一份子。其中,獵食者和獵物、宿主和病原菌均是生態系很常見的關係,以地球數目最多的動物「線蟲」為例,若我們能了解牠的天敵──線蟲捕捉菌和杏鮑菇等真菌是如何捕抓線蟲,就有機會找出生物防治方法,對抗危害人類或農作物的寄生性線蟲。

蟲,有些人看到這個字就嚇得腳軟,但對薛雁冰而言,顯微鏡下的蟲,尤其是小小的線蟲,是會扭來扭去的小可愛。「牠們雖然很小、肉眼看不清楚,但在顯微鏡下,都有很多祕密要跟我們說。」

肉食性真菌與線蟲的狩獵對決

小小的線蟲和真菌,在顯微鏡下訴說的「祕密」,不是哪個明星談戀愛的八卦,而是獵物和獵食者彼此如何攻防,這是生物非常普遍的關係。因為沒有任何物種可單獨存在,為了存活下去,獵食者要抓準時機覺醒獵魂,而獵物要想辦法避開被捕食的處境。

這種史詩般的狩獵對決,激起中研院分子生物研究所薛雁冰助研究員的好奇心。然而,她可沒辦法將獵豹和羚羊抓回實驗室研究,但生活史短暫、可用遺傳學的方式研究的線蟲和真菌(如線蟲捕捉菌和杏鮑菇),可在分子層次做研究,回答薛雁冰好奇的問題:

肉食性真菌不斷獨立演化出來,在生物學代表什麼意義?分子機制又是什麼?

線蟲(門)是地球數量最多的動物,真菌處處遇到線蟲,而許多不同種類的真菌不約而同「獨立」演化出吃蟲的能力,值得深究。更令人驚奇的是,不同肉食性真菌捕捉線蟲獵物的機制截然不同。

這個現象不但有趣,未來也有機會發展生物防治,因為許多寄生性線蟲也可能被相同機制殺死。大自然有很多動植物的寄生性線蟲,有些會造成農作物生病、產量減少,有些會危害人或動物的健康。但若想對抗這些寄生性線蟲,可先了解:牠們的天敵是透過什麼樣的互動來抓住線蟲,然後「偷師」這些殺蟲絕招。

薛雁冰實驗室選擇的 C.elegans 線蟲,雖然不是寄生性線蟲,但是一種從 1970 年代迄今被廣泛研究的模式生物,在顯微鏡下扭來扭去,為科學家解開生命之謎。許多諾貝爾獎的重大發現,都要歸功於 C.elegans 線蟲的犧牲小我。

除了 C.elegans 線蟲,薛雁冰的實驗室也住著獵食者、大自然常見的真菌──線蟲捕捉菌 A.oligospora 和杏鮑菇(沒錯,就是我們吃的杏鮑菇),這兩者在某些「飢餓」條件下都會捕食線蟲。這些吃線蟲的真菌,不是天生的戰鬥民族,而是在缺氮環境餓到了,需要捕食線蟲以攝取養分。兩者殺害線蟲的手段不一樣,可以簡單想像成:線蟲捕捉菌擅長設「陷阱」,而杏鮑菇專攻「下毒」。

獵魂覺醒!線蟲捕捉菌這樣設陷阱

當環境氮養分不足,真菌 A.oligospora 一旦偵測到環境有線蟲,就會形成黏黏的菌絲陷阱,像蜘蛛網等待線蟲納命來。

請各位讀者看看命案現場,請放心沒有血腥畫面。下方影片,一旦 C.elegans 線蟲被真菌 A.oligospora 的菌絲陷阱黏住後,就會漸漸氣絕身亡,然後被慢慢消化掉。

這命案過程中間、案發前後發生了什麼事?薛雁冰團隊透過遺傳學基因體學神經科學分子生物實驗,像刑事鑑識中心,剖析出線蟲捕捉菌 A.oligospora 的 5 個犯案步驟:

吸引獵物→發現獵物→設下陷阱→抓住獵物→飽餐一頓!

事情要從 C.elegans 線蟲的蟲生故事說起,從蟲卵長為成蟲大約只需兩日,終其一生只有兩個使命:成長、交配。從這個角度來說真好命。

因為線蟲捕捉菌無法移動,需要想辦法「吸引」獵物上門。薛雁冰團隊發現,真菌 A.oligospora 看準線蟲隨時隨地都在尋找「交配對象」和「食物」,就分泌出和線蟲性賀爾蒙相似的化合物、像線蟲食物的化合物,藉此吸引獵物。

▲ 真菌 A.oligospora 分泌多種化合物,味道很像 C.elegans 線蟲的食物和性荷爾蒙。線蟲透過嗅覺神經「聞」到,因此受吸引並靠近。(Source:eLife sciences

線蟲捕捉菌 A.oligospora 如何知道獵物來了呢?請試著回想,當你肚子餓了,如何發現附近有食物?可能是鼻子聞到「前面那個好香喔」,線蟲捕捉菌 A.oligospora 也類似如此,當偵測到線蟲身上特殊的「誘惑」,就知道要趕快設下陷阱、捕捉獵物。

C.elegans 線蟲並沒有夢幻誘惑的體香,而是會分泌稱 Ascarosides(暫無中文譯名)的醣分子,這種醣分子的結構多達上百種。不同結構的 Ascarosides 醣分子,有些用於調控線蟲自身發育,有些是尋找交配對象的語言。

身為獵食者的真菌 A.oligospora ,可稱讚它聰明又心機重,知道這些 Ascarosides 醣分子是線蟲的必要分泌物,獵食者只要學會辨識這些醣分子,就能偵測身邊有沒有好吃的線蟲靠近,並且趕快長出黏黏的菌絲陷阱,將線蟲黏住,最終化為肚中物。

▲ 即使環境氮養分不足,線蟲捕捉菌 A.oligospora 還是只有一般菌絲(左圖),但若偵測到身邊有好吃的線蟲,就會趕快長出黏著陷阱(右圖)。(Source:Springer Link

用毒高手!杏鮑菇的麻痺術

杏鮑菇也是線蟲殺手,但擅長「用毒」!它們不管環境有沒有線蟲,只要「餓了」就會分泌毒素。線蟲誤入毒素範圍,立刻被麻痺。只要線蟲神經細胞末端的感覺神經纖毛一接觸到毒素,毒素立刻會從「破口」竄進線蟲全身,引起神經細胞和肌肉細胞的鈣離子突然大增,導致肌肉劇烈收縮、麻痺,接著全身細胞壞死,線蟲很快就一命嗚呼。

▲ 杏鮑菇的毒素會引起線蟲神經細胞和肌肉細胞的鈣離子突然增加,導致肌肉劇烈收縮、麻痺,接著全身細胞跟著壞死,線蟲很快就一命嗚呼。(Source:PNAS

更恐怖的是,哪怕只有一顆細胞的神經感覺纖毛接觸到毒素,線蟲也難逃一死,毒性厲害非常。「面對肉食性真菌,線蟲的感覺神經纖毛是牠的阿基里斯腱」,薛雁冰總結。

▲ 線蟲的感覺神經纖毛位於神經細胞的末端,功能是接收外界訊息,在線蟲與真菌的戰爭中,成為杏鮑菇毒素入侵的破口。(Source:薛雁冰)

奇特的是,雖然這毒素會引發全身麻痺,但不是藉由「神經傳導物質」傳遞訊號造成。說白話一點,這個毒素不需要透過神經傳遞麻痺訊號,即可造成全身麻痺,這個發現在生物防治極富意義。因為所有寄生蟲治療藥物皆是調控神經活性,且許多寄生蟲已對這些藥物產生抗藥性,薛雁冰團隊找到的杏鮑菇殺蟲途徑,不是調控神經活性,且這機制在其他線蟲身上也相同。研究員可藉此另闢蹊徑,找到新型寄生蟲治療藥物。

未來,薛雁冰團隊仍會繼續拼湊線蟲與真菌的完整故事:「線蟲的哪些 Ascarosides 醣分子,會引誘線蟲捕捉菌長出陷阱?在千萬年的共同演化中,線蟲是否不甘於挨打,也演化出反制的機制?杏鮑菇的毒素究竟是什麼?」除了觀察短時間內獵物和獵食者的攻防戰,也透過實驗操作來觀察兩者長時間的演化軍備競賽(Evolutionary arms race)──如何經由基因和性狀變異,提升自己的防禦值,成功存活下來的獵物,因此可將這組基因遺傳給子代;同時,獵食者也會發生基因和性狀的變異,提升自己的獵殺能力。

當線蟲和線蟲捕捉菌打得火熱,牠們可能沒想到,旁邊有一群好奇的研究團隊,一邊透過顯微鏡觀察戰況,一邊透過實驗解析雙方的戰鬥防禦力。為了將來的寄生性線蟲生物防治發展,讓我們對這些在實驗室犧牲小我的線蟲,致上最高的敬意。

(本文由 研之有物 授權轉載;首圖為顯微鏡底下的對決實況:真菌 A.oligospora[獵食者]長出黏黏的陷阱,黏住 C.elegans 線蟲[獵物],線蟲無法掙脫而變成食物。)

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