東南大學研究人員發現細胞內消化藻類全新機制

国产v亚洲v天堂a2018年6月6日,英國皇家科學會會刊(Proceedings of the Royal Society B)以歷史最長篇幅(10頁),在線報道了東南大學陸祖宏、何春鵬師生等撰寫的研究性論文《Phagocytic intracellular digestion in amphioxus (Branchiostoma》,並被《自然》雜誌以Highlight形式評論。

国产v亚洲v天堂a英國皇家科學會會刊是世界上最古老的科研雜誌,是《自然》雜誌索引名錄的30個生物類期刊之壹。這次發表東南大學陸祖宏、何春鵬師生的研究論文,發現了文昌魚盲囊是壹種執行細胞內消化機制的消化器官,第壹次以直接證據,證明細胞內消化機制在多細胞動物的真實存在,否定了流行170多年的肝盲囊理論。這是生物學史上壹次重大的理論突破。

細胞內消化方式通常被認為是單細胞動物特有的原始消化方式。學界普遍認為:多細胞動物以細胞外消化方式來消化食物。陸祖宏、何春鵬師生在10余年的脊椎動物肝臟、胰腺演化起源研究中,意外發現文昌魚消化道(特別是盲囊部分)上皮細胞能夠直接吞噬藻類等食物顆粒,並且能夠對其進行有效的消化、吸收和利用。文昌魚消化道上皮細胞通過強大的消化和免疫功能基因群,不但能夠直接在細胞內部把藻類降解為氨基酸、寡肽、寡糖、寡核苷酸、脂肪酸、維生素和微量元素等營養物質,還能夠有效降解藻毒素等有害物質,達到直接把藻類轉化為可吸收、無毒害營養物質的目的(見下圖)。

藻類的生態汙染治理和有效利用壹直是困擾全世界的科學難題。現有藻類處理方法成本高昂、技術路徑曲折,實用性差。該論文報道的研究成果不僅加深了人們對脊椎動物的演化起源的認識,而且為藻類環境汙染治理,藻類生物質的綜合利用等指明了方向,如把藻類轉化為飼料原料等應用。該成果將在生態環境治理、飼料產業結構等相關領域產生顛覆性變革。

圖1.文昌魚消化道上皮細胞能夠直接吞噬藻類等食物顆粒

圖1.文昌魚消化道上皮細胞能夠直接吞噬藻類等食物顆粒,紅色圈為盲囊部分,綠色圈為後腸部分

 

1.在脊椎動物演化起源研究方面

文昌魚盲囊與脊椎動物的肝臟和胰腺相似,也發育來源於前腸內胚層的後部細胞群,因此文昌魚盲囊是脊椎動物肝臟和胰腺演化起源研究的焦點,正確認識文昌魚盲囊的生理功能和發育來源是相關研究的核心。在過去的170多年中,文昌魚盲囊的生理學定位壹直存在巨大爭議。Müller於1844年,基於形態觀察提出文昌魚盲囊是脊椎動物肝臟的演化前體器官,因此定義盲囊為肝盲囊(Hepatic diverticulum)。van Weel於1937年,利用普通光學顯微鏡,觀察到文昌魚盲囊可以吸收壹些微小顆粒,因此認為盲囊可能是壹種消化器官,與脊椎動物的外分泌胰腺演化同源,故定義盲囊為消化盲囊(Digestive diverticulum)。近期研究又表明,文昌魚盲囊上皮細胞還能表達壹定數量的免疫基因,如VCBPs等(Litman,2002),因此有部分學者提出盲囊是壹種原始的免疫中樞。現在三種觀點都很流行,分別被不同學者接受,以至全球生物學教科書和專著中對文昌魚盲囊的相關論述存在巨大分歧,嚴重影響學界對脊椎動物演化起源的整體性認識。由於文昌魚盲囊具有高度的內源酶活性,常規固定方法會引起其在固定過程中的快速自溶,因此不能得到令人信服的基於透射電子顯微鏡的高分辨細胞形態學直接結果。同時,現有報道也沒有基於轉錄組學或蛋白質組學研究的整體性研究結果,因此文昌魚盲囊的生理學定位壹直處於不明確狀態。

過去10年中,陸祖宏何春鵬師生基於自主研發的能夠有效固定高內源酶活性組織的特殊固定方法,並結合全長轉錄組文庫制備和測序技術,輔以原位雜交和定量PCR技術,在生物學史上,首次證明文昌魚盲囊是壹種執行細胞內消化機制的消化器官,第壹次以透射電子顯微鏡直接證據,證明細胞內消化機制在多細胞動物的真實存在,並徹底否定了流行170多年的肝盲囊錯誤理論。相關試驗結果顯示,所有文昌魚盲囊上皮細胞都具有直接吞噬藻類等食物顆粒的能力。同時,全長轉錄組測序和定量PCR結果表明,文昌魚盲囊上皮細胞具有雙重細胞生理學特性:在饑餓狀態,具有類似脊椎動物外分泌胰腺細胞的特性,高度表達多種消化酶;在飽食狀態,由於受到食物顆粒的刺激,具有脊椎動物吞噬細胞的類似特性,高度表達VCBPs、Gram-negative bacteria-binding protein、alpha2-macroglobulin、big defensin和Toll-interacting protein等多種免疫基因。這種雙重屬性保證,文昌魚盲囊上皮細胞在降解藻類等食物顆粒的同時,還能夠有效抑制藻毒素等有害物質,達到直接把藻類等食物顆粒轉化為無毒害可吸收營養物質的目的。

2.在藻類的環境汙染治理和飼料工業應用方面

陸祖宏何春鵬師生同時利用Gateway? pYES-DEST52載體,構建文昌魚消化道上皮細胞全長功能基因翻譯文庫,通過釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)體外海量表達文昌魚細胞內消化機制相關功能基因組,以此功能基因組的蛋白質粗提產物按照1:1000比例和藍藻混合,能夠得到與文昌魚盲囊上皮細胞在自然狀態的類似效果,在24小時以內把藍藻降解為無毒害、可吸收的小分子營養物質(相關研究還在進壹步優化之中)。相關研究成果如果能夠成功轉化,將在生態與環境汙染治理,飼料產業結構,以及農業產業結構等三方面產生革命性影響。不但藍藻環境汙染問題將得到有效治理,而且相關藍藻降解產物將是豆粕、肉骨粉和魚粉等飼料成份的有力低成本高質量替代品,進而對農業行業的口糧和經濟作物比例產生根本性影響。

3.其它衍生研究成果

由於相關研究成果直接否定了肝盲囊的錯誤理論,證明了van Weel關於消化盲囊預判的正確性,陸祖宏何春鵬師生還從演化-發育生物學(Evo-Devo)研究出發,證明文昌魚盲囊和脊椎動物胰腺壹樣,發育來源與Pdx1陽性前場內胚層,提示文昌魚盲囊和脊椎動物胰腺為演化同源器官。相關研究成果已被Nature Ecology & Evolution送審。

 

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