Nature：細菌專門殺傷雄性寄主的分子機制

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第17期推送

關於細菌和雄性寄主

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天擇資本

圖文 | 許軻

編輯 | qinyue

細菌為了在宿主生存繁殖，長期以來進化出了各種各樣的共生機制，以求在宿主中存活。

其中有一類細菌專門殺死處於胚胎期的雄性宿主，而不傷害雌性胚胎，這樣有利於該細菌在雌性後代體內，並在宿主種群中大量繁殖。這類細菌被稱為「殺滅雄性細菌」（male killing bacteria）。

對於這些細菌專門殺死宿主雄性後代的機制研究有什麼意義呢？最為切近的，是控制昆蟲尤其是病源傳播昆蟲的數量。

幾年前，肆虐美洲的寨卡病毒利用蚊子叮咬傳染人體，而科研人員就是利用寄生在蚊子中的殺滅雄性蚊子細菌來控制病原蚊子的種群，防止病毒肆虐。

5月初發表在Nature中的一項報道【1】，開創性的揭示出一種殺滅雄性細菌（S. poulsonii）專門殺死雄性宿主的分子機制，為研究此類細菌與宿主的共生以及宿主的性別發育過程提供啟示。

六十餘年之前，就有報道發現S. poulsonii能專門殺死雄性昆蟲的現象，其作用原理卻不清楚。一般情況下，S. poulsonii感染雌性果蠅後，該果蠅產生的子代里的雄性個體在胚胎期就幾乎全部死亡，雌性則不受影響。

研究者偶然發現一個S. poulsonii的突變菌株，它在感染雌性果蠅後，子代雄蠅卻存活下來。在排除該菌株的繁殖力等影響後，通過對該突變菌株的基因組測序，研究人員發現該細菌的一個名為Spaid的蛋白突變了。當研究人員在果蠅身體中只過表達Spaid蛋白時，發現雄性胚胎全部死亡，雌性安然無恙。為什麼毒力與宿主性別有關呢？

雄性宿主細胞中由於僅含有一個X染色體而雌性有兩條，為了使雄性補足X染色體基因表達水平，需要雄性特有的MSL複合體對X染色體進行表觀遺傳修飾。那麼Spaid是不是有可能通過破壞雄性特有的MSL複合體的功能進而殺死雄性呢？通過免疫染色，定位於染色質的MSL與Spaid有共定位，過表達Spaid的雄性果蠅細胞中DNA損傷明顯增多，且染色體結構不穩定，這與MSL突變的效果類似。

這個蛋白含有兩個在動物中保守的結構域ANK和OTU。表達去除ANK結構域的Spaid時沒有毒力，說明ANK結構域對於Spiad至關重要。去除OTU的Spaid雖然不會使雄性胚胎死亡，卻仍能夠在蛹期致死，表明OTU也有毒性（圖1）。

圖1. 在果蠅中過表達野生型和功能突變型蛋白

進一步地，通過觀察對比Spaid和去除ANK或OTU結構域的Spaid的細胞定位，研究人員提出Spaid的毒性機制：OTU結構域幫助Spaid進入宿主細胞核中並可能行使去泛素華的功能破壞MSL的活性，更具破壞力的ANK結構域則與MSL結合，致使雄性染色質結構破壞，DNA損傷和染色質斷裂就有可能進而產生（圖2）。

圖2. 細菌產生的雄性致死蛋白Spaid的致死機制模型

作為一項開創性的研究，後續更加深入的課題包括：ANK究竟是怎麼破壞MSL的活性的？OTU與MSL的相互作用關係又是怎樣的？

解決這些問題將為性別決定機制和利用感染細菌控制昆蟲種群提供借鑒意義，更為理解寄生蟲與宿主在長期進化歷史上「相愛相殺」的過程提供線索。

參考文獻：

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