華南師范大學(xué)李勝教授入廁遭蟑螂圍攻后研究：發(fā)現(xiàn)斷肢再生奧秘

原標(biāo)題：廁所遭蟑螂圍攻后為其開辟實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)斷肢再生奧秘

蟑螂，學(xué)名蜚蠊，地球上最古老的昆蟲之一，在中國(guó)又被稱為“打不死”的“小強(qiáng)”。

一年多以前，華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和昆蟲科學(xué)與技術(shù)研究所的李勝教授將多年的研究對(duì)象從家蠶和果蠅轉(zhuǎn)移至果蠅和美洲大蠊（蜚蠊目一種）。北京時(shí)間3月21日凌晨，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》子刊《自然-通訊》在線發(fā)表了李勝團(tuán)隊(duì)和該項(xiàng)研究有關(guān)的論文，”The genomic and functional landscapes of developmental plasticity in the American cockroach”（美洲大蠊發(fā)育可塑性的基因組與功能詮釋）。

李勝2006年從約翰霍普金斯大學(xué)博士后出站后回國(guó)工作，至今從事昆蟲科學(xué)研究20余年。目前是華南師范大學(xué)昆蟲科學(xué)與技術(shù)研究所所長(zhǎng)，2016年當(dāng)選長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授。論文的另一通訊作者為中科院植生生態(tài)研究所的詹帥研究員。

李勝在接受澎湃新聞采訪時(shí)表示，“研究蟑螂的初衷其實(shí)有一個(gè)蠻有趣的一個(gè)故事，當(dāng)時(shí)我剛來(lái)到廣東，6月份的時(shí)候一去廁所就有好幾只大蟑螂飛到身上來(lái)，非常討厭。國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)也沒(méi)什么對(duì)蟑螂的深入研究，我后來(lái)就跟詹帥討論了下決定研究蟑螂。”

彼時(shí)，李勝剛結(jié)束了在中科院植生生態(tài)研究所的10年工作生涯，去華南師范大學(xué)任職。正是在華南等熱帶和亞熱帶地區(qū)，蟑螂肆意滋生、危害猖獗，成為了臭名昭著的衛(wèi)生害蟲。

隨后，李勝就專門開辟了一間蟑螂屋。二十幾平方米的蟑螂屋內(nèi)，放置了許多鐵架子，架子上一層一層撂了很多塑料收納箱，每個(gè)箱子里放著一個(gè)菜市場(chǎng)隨處可見的紙漿雞蛋托盤。就在這樣的收納箱里，培養(yǎng)著數(shù)萬(wàn)只品種不同、大小不一的蟑螂，雞蛋托盤的一個(gè)個(gè)凹陷處成了蟑螂平日喜歡躲藏的地方。

白蟻由蟑螂進(jìn)化而來(lái)

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)二代測(cè)序技術(shù)獲得超過(guò)1Tb的數(shù)據(jù)。美洲大蠊的測(cè)序深度為295×，通過(guò)高質(zhì)量基因組裝最后獲得3.38Gb基因組序列。

在所有的“家居”蟑螂中，美洲大蠊體型最大，長(zhǎng)度可達(dá)53毫米，在發(fā)育成成蟲之前會(huì)蛻皮6-14次，生命周期也最長(zhǎng)，將近有700天。

李勝表示，“在已知的昆蟲基因規(guī)模中，美洲大蠊是除東亞飛蝗外的第二大物種。”和東亞飛蝗類似，美洲大蠊60%左右的基因組為重復(fù)序列，研究團(tuán)隊(duì)還預(yù)測(cè)到21336個(gè)蛋白編碼基因。

通過(guò)和其他蜚蠊目物種的基因組對(duì)比，研究團(tuán)隊(duì)得出了他們的第一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)：白蟻由蟑螂演化而來(lái)，而美洲大蠊介于德國(guó)小蠊和白蟻之間，并且美洲大蠊和白蟻的遺傳距離更加接近。

論文中提到，德國(guó)小蠊、濕材白蟻和美洲大蠊之間分別存在9633個(gè)和9573個(gè)同源序列。在其中7640個(gè)共同的同源序列中，近2/3的美洲大蠊基因在序列一致性上和白蟻更接近，另外1/3和德國(guó)小蠊更接近。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，美洲大蠊和白蟻遺傳距離更近這一新發(fā)現(xiàn)，“為白蟻由蟑螂進(jìn)化而來(lái)提供了重要的基因組證據(jù)”。

“目前來(lái)說(shuō)，只能確定蜚蠊是白蟻的祖先，具體由那一種蜚蠊進(jìn)化成白蟻還是不清楚，這也是我們目前非常重要的一個(gè)研究方向。”李勝表示，“另外，尋找蟑螂的起源，以及它們?nèi)绾芜w移，這都是我們非常感興趣的內(nèi)容。”

追蹤、辨別食物的三大感受器家族

研究團(tuán)隊(duì)隨后將研究聚焦于和美洲大蠊獨(dú)特的生物學(xué)特點(diǎn)相關(guān)的基因家族，以此破解它們適應(yīng)城市環(huán)境的成功秘密。

李勝表示，“第一個(gè)是美洲大蠊攝食范圍特別廣，不被苦味受體識(shí)別的都能吃，萬(wàn)一吃進(jìn)去有毒的話還能通過(guò)一個(gè)非常復(fù)雜的解毒酶系統(tǒng)解毒，相關(guān)的基因家族會(huì)大規(guī)模擴(kuò)張。它還有很強(qiáng)的免疫能力，能容忍病原微生物的侵入。”

眾所周知，美洲大蠊攝食廣泛，這也是它們適應(yīng)多種食物來(lái)源的基礎(chǔ)。而這實(shí)際上源于它們能容忍各種化學(xué)、生物因素，例如殺蟲劑等帶來(lái)的毒素，或者各種病原體。因此，研究團(tuán)隊(duì)開始分析和化學(xué)感應(yīng)、解毒作用和免疫有關(guān)的信號(hào)通路。

昆蟲負(fù)責(zé)識(shí)別化學(xué)感應(yīng)刺激的感受器家族主要有三大類，即嗅覺感受器（ORs）、味覺感受器（GRs）和離子型谷氨酸受體（IRs）。通常，化學(xué)刺激物質(zhì)散發(fā)的氣味分子首先會(huì)被氣味結(jié)合蛋白（OBPs）會(huì)結(jié)合、轉(zhuǎn)移至嗅覺感受器。

研究團(tuán)隊(duì)比較了美洲大蠊、白蟻和果蠅之間的上述感受器的基因家族。美洲大蠊基因中一共發(fā)現(xiàn)154個(gè)嗅覺感受器，是其它參照物種的兩倍。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，嗅覺感受器的擴(kuò)張幫助美洲大蠊更易追蹤到食物，尤其是美洲大蠊最喜歡的發(fā)酵食物。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，美國(guó)大蠊有522個(gè)味覺感受器，這也是迄今在昆蟲中發(fā)現(xiàn)最多的。有趣的是，這其中有329個(gè)味覺感受器在系統(tǒng)發(fā)育中形成了特定的進(jìn)化枝，也被稱作苦味受體。

能辨別苦味通常被認(rèn)為是生物體應(yīng)對(duì)苦味和有毒食物的自我保護(hù)系統(tǒng)。美洲大蠊中苦味受體的大量擴(kuò)張或許可以解釋這種雜食性的物種可以適應(yīng)不同環(huán)境中變化的食物。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，離子型谷氨酸受體在美洲大蠊中也發(fā)生了本質(zhì)性的擴(kuò)張，達(dá)到640個(gè)，而濕材白蟻的基因中僅發(fā)現(xiàn)了148個(gè)。此前，在果蠅研究中曾報(bào)道，離子型谷氨酸受體在和觸角的腔錐感受器相關(guān)的神經(jīng)元中被表達(dá)，以此調(diào)節(jié)對(duì)揮發(fā)性化學(xué)線索和溫度的響應(yīng)。

因此，研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)，對(duì)美洲大蠊來(lái)說(shuō)，離子型谷氨酸受體或許在環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮了重要作用。

誤食了能自我解毒、微生物入侵有天然抗菌肽

美洲大蠊不僅攝食范圍廣，重點(diǎn)還在于一旦誤食還能自我解毒。

對(duì)昆蟲來(lái)說(shuō)，克服毒素的解毒系統(tǒng)主要包括各種酶和異型物質(zhì)（殺蟲劑、除草劑等）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

研究團(tuán)隊(duì)在美洲大蠊中確認(rèn)了178個(gè)細(xì)胞色素P450s，90個(gè)羧酸脂酶或膽堿酯酶，39種谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶和115種ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。這些就構(gòu)成了美洲大蠊獨(dú)特的解毒系統(tǒng)。論文提到，和其他蜚蠊目物種比較，美洲大蠊中的P450s擴(kuò)張最明顯。

除人類使用的殺蟲劑等毒素對(duì)蟑螂產(chǎn)生威脅外，微生物也是其“老朋友”。蟑螂通常生存在潮濕、不衛(wèi)生的環(huán)境中，又尤其喜歡發(fā)酵食物。因此，蟑螂有大量暴露于細(xì)菌和病原菌的機(jī)會(huì)。

對(duì)所有的昆蟲來(lái)說(shuō)，它們會(huì)依賴先天免疫系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗微生物感染。先天免疫力的體液應(yīng)答主要靠三種主要的信號(hào)通路調(diào)節(jié)：Imd、Toll和JAK-STAT。在果蠅等昆蟲中發(fā)現(xiàn)，被革蘭氏陰性細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和真菌感染后，Imd、Toll通路被分別激活，從而合成和分泌抗菌肽進(jìn)入血淋巴，最終殺死入侵的微生物。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，美洲大蠊含有Imd、Toll和JAK-STAT通路的關(guān)鍵組成成分和效應(yīng)物質(zhì)。和其他昆蟲相比，美洲大蠊Toll通路的基因顯著擴(kuò)張。并且通過(guò)功能分析發(fā)現(xiàn)，Toll通路是美洲大蠊最為重要的天然免疫信號(hào)途徑。研究團(tuán)隊(duì)還在美洲大蠊基因中檢測(cè)到11種抗菌肽。

研究團(tuán)隊(duì)還給美洲大蠊注射微生物，通過(guò)測(cè)量蟑螂粗提液的抗菌活性來(lái)測(cè)試抗菌肽的感應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，注射革蘭氏陰性細(xì)菌后，抗菌活性很強(qiáng)，注射革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌后，抗菌活性中等，注射真菌后，也存在較弱的抗菌活性。這些結(jié)果表明，蟑螂抗菌肽具有廣譜潛力。

“小強(qiáng)”斷肢再生的秘密

通常，在昆蟲的蛻皮和變態(tài)發(fā)育過(guò)程中，會(huì)受到20-羥基蛻皮甾酮（20E）和保幼激素（JH）的共同調(diào)節(jié)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在美洲大蠊中，調(diào)節(jié)昆蟲發(fā)育的重要生物合成和信號(hào)通路，例如20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素、胰島素、幾丁質(zhì)代謝、AMPK、TORC1等均存在并高度保守。尤其是，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了和保幼激素生物合成和代謝有關(guān)的兩種關(guān)鍵基因（Jhamt 和Jhe）），另外胰島素樣肽基因顯著擴(kuò)張。除此之外，表皮蛋白家族是美洲大蠊中擴(kuò)張最顯著的。

為更好理解這些上游信號(hào)是如何調(diào)節(jié)蛻皮、變態(tài)和生長(zhǎng)的，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)RNA干擾技術(shù)破壞了美洲大蠊若蟲期的20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素和胰島素信號(hào)，肉眼可觀察到蛻皮出現(xiàn)缺陷。

在RNA干擾敲低EcR和RXR這兩種編碼20-羥基蛻皮甾酮核受體的基因情況下，美洲大蠊最終會(huì)死亡。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)綜合得出，20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素和胰島素對(duì)蛻皮、變態(tài)和生長(zhǎng)分別能產(chǎn)生重要作用。當(dāng)然，論文中還提及，這三者如何相互作用還有待研究。

美洲大蠊在較長(zhǎng)的成蟲期會(huì)定期繁殖。另外，美洲大蠊還能孤雌生殖，即單性生殖，卵不經(jīng)過(guò)受精也能發(fā)育成正常后代。這為蟑螂的泛濫成災(zāi)也提供了源源不斷的動(dòng)力。

李勝提到，“這個(gè)蟲子長(zhǎng)得特別快，它是受吃所吃東西多少所調(diào)控的，具有很強(qiáng)的可塑性。有吃的東西話它可以長(zhǎng)得很快，沒(méi)有吃的東西時(shí)候它可以保持很長(zhǎng)時(shí)間的靜止，它會(huì)根據(jù)外界環(huán)境，改變蛻皮次數(shù)來(lái)調(diào)整其可塑性。”

據(jù)李勝描述，在野外美洲大蠊將近一年發(fā)育成成蟲，但在實(shí)驗(yàn)室條件下三個(gè)月就可以到達(dá)成蟲。

值得注意的是，論文中強(qiáng)調(diào)，除美洲大蠊外，白蟻也能孤雌生殖，而德國(guó)小蠊不能。這也再次支持了美洲大蠊更接近于白蟻的假設(shè)。

蟑螂最被人熟知的還是其很強(qiáng)的“斷肢再生”能力，這也是被稱為“小強(qiáng)”的主要理由。論文中提到，美洲大蠊在若蟲期具有很強(qiáng)的斷肢再生能力，而斷肢再生的恢復(fù)程度則取決于創(chuàng)傷程度。

“如果把它的頭摘掉，它的身體還能活動(dòng)五六天，如果把腿或者觸角剪掉，它幾天之內(nèi)就能長(zhǎng)出來(lái)，蛻皮以后就能清晰觀察到幾乎完好如初。”李勝表示。

在以往對(duì)果蠅和脊椎動(dòng)物的研究中，已經(jīng)有很多重要的信號(hào)通路被認(rèn)為和傷口愈合和組織修復(fù)有關(guān)，例如Dpp（轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子）、JNK、GRH、Wg等。這些在美洲大蠊基因同樣被顯示存在。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)著重證明，Dpp通路在蟑螂斷肢再生過(guò)程中對(duì)其傷口愈合和組織再生起到關(guān)鍵作用。

論文中還提到，目前已經(jīng)成為傷口愈合和組織再生處方藥的康復(fù)新液（國(guó)家藥品標(biāo)準(zhǔn) WS3-B-3674-2000（Z）），實(shí)際上就是美洲大蠊的乙醇提取液。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在研究，是否真正存在“生長(zhǎng)因子”將美洲大蠊斷肢再生機(jī)制和康復(fù)新液這樣的乙醇提取液聯(lián)系起來(lái)。