深海鮟鱇雌魚為何可融合雄魚繁殖?源於獨特的免疫系統

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 08 日 0:00 | 分類 生物科技 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


深海鮟鱇魚分布於世界各海域,但目前所知約有 160 種鮟鱇魚數量非常稀少。牠們會在 300~5,000 公尺漆黑的海裡,用頭部前懸掛的發光餌球吸引獵物,正因如此也暱稱為燈籠魚。鮟鱇魚有非常大的口部和能擴大的胃部,能瞬間捕捉並吞食比身體還大的獵物。

深海鮟鱇魚的雄性體形比雌性小非常多,比較極端的例子,雌性的長度甚至可達雄性的 60 倍長,體重相差至 50 萬倍。雄性鮟鱇魚並沒有發光餌球,反而有發育良好的大眼睛和大鼻孔,能接收物種特有的雌魚放出的化學分泌物,因此找到雌魚結合。

雌雄深度結合,難分彼此

生活在深海的鮟鱇魚繁衍策略非常特別。體型非常迷你的雄魚會一直貼附在對牠們來說非常巨大的雌魚身上,兩者組織相連並建立共用血液循環系統。

鮟鱇魚這種繁衍現象稱為「異性寄生生活」。對分佈於廣闊深海的鮟鱇魚來說,雄魚和雌魚非常難遇見進而交配,因此發展出這種繁衍策略,可克服個體分散的限制,達到延續下一代的目的。

早在 1920 年,一位冰島漁業學家首次發現貼附在一起的鮟鱇魚,自此後一世紀,這種神祕的深海魚類的奇特繁衍策略,就一直是人類解不開的謎題。

鮟鱇魚的繁殖策略最讓科學家著迷的不只是特別。鮟鱇魚在異性寄生狀態下,雄魚會變成完全依賴雌魚養分供給的身體一部分,就像胎兒在母體內成長,或像移植器官融入受贈者的身體。

但比起人類器官移植是如此困難,鮟鱇魚的例子中,基因相近甚至身為同種的兩個個體,組織相互結合時竟然不會發生預期應會出現的免疫排斥反應。

7 月 30 日發表於期刊《科學》的研究,德國馬克思普朗克免疫生物學和表觀遺傳學研究所(Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics)及美國華盛頓大學(University of Washington)的科學家針對此現象,研究鮟鱇魚的免疫系統為何不會在組織融合的時候產生免疫反應。

過去數十年,科學家一直想知道鮟鱇魚這種罕見現象究竟怎麼發生的。幾年前馬克思普朗克研究所免疫學家 Thomas Boehm 博士和華盛頓大學世界級鮟鱇魚專家的魚類學家 Pietsch 博士開始合作,研究不同種類的鮟鱇魚基因組。

▲ 棘頭光棒鮟鱇(Photocorynus spiniceps),雌魚背上寄生著一隻小小的雄魚。(Source:華盛頓大學,下同)

能否解決人類器官移植的排斥反應?

共同作者的華盛頓大學水產及漁業科學榮譽教授 Ted Pietsch 表示,研究鮟鱇魚是很好的機會,透過研究此現象了解人類組織器官移植時遇到的困難。

他們首先開始研究鮟鱇魚的(major histocompatibility,主要組織相容性複合體)抗原結構。MHC 是一種生物體細胞表面分子,當細胞受外來病毒或細菌感染時,擔任免疫系統的警報訊號。

為了確保所有外來病原體都能有效辨認,MHC 分子的序列結構變化非常多樣,因此很難在同個物種找到兩個個體有近乎相同的 MHC 結構,MHC 分子的多樣性也是器官或骨髓移植時會產生組織配對問題的原因。研究鮟鱇魚的 MHC 過程,團隊驚訝的發現,永久異性寄生的鮟鱇魚竟然沒有能表現 MHC 分子的基因,就像牠們為了組織融合繁衍而放棄了免疫系統辨認外來威脅的能力。

人類的免疫系統對抗對外來威脅時,例如器官移植後產生排斥等狀況,一般負責清除感染細胞或攻擊外源組織的殺手 T 細胞,也在免疫系統扮演非常重要的角色。但鮟鱇魚的免疫系統,團隊發現鮟鱇魚的殺手 T 細胞反應非常遲鈍,甚至幾乎沒有功能。除此之外,團隊也透過分析確認某些種類的鮟鱇魚,免疫系統一大防禦利器的抗體系統,也幾乎不存在。

▲ 雌性約氏黑角鮟鱇,稱為黑海惡魔(Melanocetus johnsonii),下方有一隻相對較小的寄生雄魚。

獨樹一格的免疫反應

一般來說,脊椎動物的免疫系統可分為先天免疫系統(innate immunity)及後天免疫系統(adaptive immunity)。先天型免疫反應較快、沒有專一性、保護不持久,例如物理性的屏障皮膚、化學性的分泌物、發炎反應等。後天型免疫則透過辨識特定外來病原體,進而產生專一性的防禦及長期記憶,包含以淋巴細胞為主的協同防禦,透過抗原辨識清除受感染的細胞及病原體。Boehm 博士表示,鮟鱇魚身上發現的各項免疫系統缺失,換成在人類身上,會因免疫不全導致死亡。

但與一般脊椎動物免疫系統不同,研究團隊發現鮟鱇魚免疫系統採取的策略十分獨特。牠們缺乏一般與組織排斥有關的基因,但擁有更好的先天免疫反應,並以此對抗外界感染源。

雖然免疫系統是經過幾億年演化,形成穩定的先天免疫系統及後天免疫系統,但這項研究結果也顯示,後天免疫系統並不像我們以為的無可取代,自然界也有脊椎動物只依靠先天免疫系統生存。

雖然目前對鮟鱇魚先天免疫增強的細節還有待進一步研究,這項研究所揭開的鮟鱇魚免疫策略,或許可在未來幫助免疫系統缺失或受損的病患。

(首圖為薛氏寬鰓鮟鱇;來源:Flickr/NOAA Photo Library CC BY 2.0)