作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2014-1-20 11:23:53
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寄生最高境界:操纵大脑
科学家尝试理解真菌与宿主间作用机理

僵尸蚂蚁   图片来源:DAVID HUGHES
 
Austin Shelley Adamo是加拿大哈利法克斯市戴尔豪斯大学的一名生态免疫学家,当她最初将以蟋蟀为食的蜥蜴放入蟋蟀笼子里时,仅仅是想吓唬一下后者,以便弄清蟋蟀的免疫系统在面对压力时会产生何种反应。此时一个令人意外的情况发生了。蟋蟀从蜥蜴身上获得了某种病毒,变得更加活泼好动。雄性更渴望与雌性交配,这对病毒的传播十分有利。Adamo在近日召开的整合及比较生物学会(SICB)年会上报告了这一发现。
 
越来越多的寄生虫被研究者发现,而Adamo的研究结果使它们的种类变得更加丰富。蟋蟀实验的案例说明,某种病毒会通过操纵宿主的行为提高自身生存和传播的机会。当扁形虫寄宿在鳉鱼身上时,鳉鱼的两侧会在太阳光照下发亮,从而吸引苍鹭等食鱼鸟类前来捕食,扁形虫借此感染鸟类引发禽流感;蟑螂在被寄生蜂叮咬后将变成寄生蜂的“奴隶”,它会自行爬到藏有寄生蜂幼虫的洞中成为幼虫的食物;老鼠在感染原生动物弓形虫后,会变得不那么惧怕猫,而猫才是弓形虫繁衍的真正宿主。丹麦哥本哈根大学寄生虫学家Brian Fredensborg说:“我们在持续探索还存在着哪些操纵行为的情况。”
 
现在,Adamo、Fredensborg及其他研究者正在尝试理解这些寄生虫是如何操纵宿主大脑的。Fredensborg说:“我们已经从发现操纵行为的阶段,进入到一个专注于作用机理的新阶段。但还有很多是我们所不知道的。”
 
Adamo发现,病毒会侵占昆虫的脂肪体。脂肪体是蟋蟀体内蛋白质的最主要生产源,能储藏其他营养,加剧免疫反应。Adamo与同事还发现,脂肪体表层会覆盖一层具有光泽的病毒颗粒,使得脂肪体成为病毒完成复制的大本营。这导致脂肪体无法再生产蛋白质和其他维持生殖器官健康所必需的分子,雌性蟋蟀将不再分泌卵子,而雄性蟋蟀的精子也会受到损害。Adamo说:“它们将无法繁殖。”但感染病毒后,雌性和雄性的性吸引力都大大增强,其中雄性求偶次数是健康蟋蟀的2倍。
 
Adamo希望能鉴别出这种由寄生虫发出的可导致蟋蟀更多性行为的分子信号。此外,感染病毒后,宿主体内通常会出现可导致宿主失去食欲、嗜睡的炎性分子,而这种分子信号能抑制炎性分子对宿主的影响,Adamo认为这是性传播寄生虫的普遍特性。
 
而美国宾夕法尼亚州立大学帕克分校博士后Charissa de Bekker着眼于一种名为偏侧蛇虫草菌的真菌。这种真菌能感染木蚁,并最终使得宿主离开蚁群,爬上一棵大树,咬住小枝的下方或树叶的下方,然后死去。宿主以这种姿势死后能够使真菌孢子掉落地面,继而感染其他蚂蚁。19世纪中期,与达尔文同一时代的Alfred Russel Wallace认为,这种真菌是从蚂蚁脑部生长出来的,直到2009年这一行为操纵现象才被宾夕法尼亚大学生态学家David Hughes所发现。
 
De Bekker在年会上报告称,很难弄清这种真菌是如何操纵木蚁的。首先必须弄清如何在实验室中培养这种真菌及它的近亲,还必须培育出两种感染真菌的蚂蚁组织——大脑和肌肉,进而观察寄生虫究竟是通过大脑还是肌肉操纵宿主的。
 
为了弄清这一问题,De Bekker和Hughes将目光投向由这种真菌分泌的分子上。她们选取两组蚂蚁,一组是对寄生虫操纵有抵御能力的品种,另一组则是易受寄生虫操纵的品种,将两者进行对比研究后发现:约70%的真菌蛋白质和其他代谢物存在于自杀的蚂蚁身上,这意味着真菌蛋白质是将蚂蚁变成“僵尸”的关键因素。
 
De Bekker通过使用质谱分析法鉴别出一些可能操纵宿主大脑的分子。一种是鞘氨醇,它是神经信号分子的一部分,可能影响蚂蚁的神经系统。另一种是γ胍基丁酸,与一种致命的有毒蘑菇有关。
 
De Bekke、Hughes及同事还开始检查这种真菌的基因活动在感染过程中是如何改变的。初次感染真菌的蚂蚁行为如常,但随着真菌的生长,它将逐渐替代蚂蚁的大脑,这一过程可能是在鞘氨醇的帮助下完成的,最终导致自杀行为的发生。
 
虽然De Bekke等人的研究表明寄生虫会操纵宿主的行为,使之向着对自身有利的方向发展,但一些研究者对此持怀疑态度,他们认为缺乏决定性的证据支持这一观点,且这一过程的作用机理还不清楚。美国加利福尼亚大学戴维斯分校寄生虫学家Kelly Weinersmith认为,虽然寄生虫会改变宿主行为,但这需要时间。Weinersmith说:“尽管你们已经有了很多发现,但这一过程很可能是多个作用机理共同影响的结果。”
 
此外,许多与会研究者认为,有很多例子可以否定寄生虫对宿主行为的影响。美国柯林斯堡市科罗拉多州立大学行为生物学家Janice Moore说:“寄生虫能改变宿主的互动行为,这是毫无疑问的。但要真正弄清这一过程,我们仍有很长的路要走。”(段歆涔)
 
《中国科学报》 (2014-01-20 第3版 国际)
 
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