魷魚光器官中的發(fā)光細菌驅(qū)動宿主的系統(tǒng)性變化

夏威夷大學(xué)海洋與地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(SOEST)的夏威夷大學(xué)(UH)研究人員在美國國家科學(xué)院院刊上發(fā)表的一項新研究揭示了在夏威夷短尾草內(nèi)生活和諧的發(fā)光細菌魷魚的光器官，改變其魷魚宿主其他器官的基因表達。

自動物起源以來，細菌一直在推動動物生物學(xué)，并且大多數(shù)動物 - 細菌協(xié)會在共生關(guān)系中有益于其宿主生物的生命。了解微生物和其他生物(包括人類)的相互依賴性是醫(yī)學(xué)和環(huán)境健康的前沿。

夏威夷短尾魷魚在夏威夷群島的淺水區(qū)夜間活躍。它從它的身體散發(fā)出細菌伴侶產(chǎn)生的光，以抵御月光和星光。動物調(diào)節(jié)其微生物的生物發(fā)光輸出以響應(yīng)環(huán)境光的變化，例如云覆蓋的衰減。據(jù)信這種行為是通過眼睛和光器官之間的反饋來控制的。

近三十年來，導(dǎo)演Margaret McFall-Ngai和SOEST太平洋生物科學(xué)研究中心(PBRC)研究員Edward Ruby的實驗室使用了夏威夷短尾魷魚及其產(chǎn)生光的共生體Vibrio fischeri作為模型生物系統(tǒng)。解開這個神秘而重要的關(guān)系的細節(jié)。

來自McFall-Ngai的PBRC研究生Silvia Moriano-Gutierrez問了一個問題：夏威夷短尾魷魚光器官的弧菌定植會影響魷魚身體其他部位的基因表達嗎?

為了研究這個問題，莫里亞諾 - 古鐵雷斯使用了兩種不同的共生菌株 - 野生型，發(fā)光明亮，不發(fā)光，“三角洲lux菌株”。在三個條件下，研究小組評估了哪些魷魚 - 宿主基因在光器官本身以及假設(shè)與光器官一起協(xié)調(diào)宿主光輸出的眼睛中表達，以及作為主要免疫器官的鰓。在魷魚中：沒有被弧菌定植的魷魚，被野生型細菌定殖的魷魚，以及被delta lux菌株定殖的魷魚。

“我的第一個驚喜是，在比較野生型細菌或光缺陷細菌定植的早期影響時，我們發(fā)現(xiàn)光器官中基因表達的最重要驅(qū)動因素不是細菌本身的存在，而是莫里亞諾 - 古鐵雷斯說：“而是有細菌的存在。” “換句話說，共生體的光產(chǎn)生是宿主基因表達的一個更重要的驅(qū)動因素。”

基因表達對光產(chǎn)生的反應(yīng)比對細菌存在的響應(yīng)更強，這一事實強調(diào)了細菌動物對生產(chǎn)生物發(fā)生作用的重要性。有趣的是，在48小時內(nèi)，delta-lux菌株隨后被宿主排斥，將光器官的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)與其制裁黑色菌株的能力相關(guān)聯(lián)。

接下來，研究人員評估了不同條件如何影響遠離共生體的組織，即眼睛和鰓。這兩種器官均以其獨特的基因表達特征對這些病癥作出反應(yīng)。鰓類似地響應(yīng)野生型和暗突變體的存在。

“然而，下一個令人驚訝的是，雖然當器官被野生型定植時，眼睛對數(shù)十種基因表達的強烈變化作出反應(yīng)，當被黑暗突變體定植時，NO基因改變了它們在眼睛中的調(diào)節(jié)。，“Ruby說。“這些數(shù)據(jù)支持了這樣一種觀點，即眼睛與光器官之間的協(xié)調(diào)對于動物行為中光的使用非常重要。”

“通過這種方式，共生的開始協(xié)調(diào)了多個基因的協(xié)調(diào)，受調(diào)節(jié)的表達，跨越不同的器官，無論是殖民的還是遙遠的，并且可能由不同的共生信號觸發(fā)，表明宿主和共生體之間的對話是一個更復(fù)雜的對話比我們預(yù)期的要好，“McFall-Ngai說。

隨著未來的研究，該團隊將解決共生體的哪些其他可能的特征觸發(fā)宿主組織中的這種反應(yīng)，以及這些信號如何到達遠程組織，以努力理解宿主 - 微生物通信復(fù)雜性的機制。

不同的微生物組對破譯不同微生物群落和宿主組織之間的信號傳導(dǎo)提出了挑戰(zhàn)。通過使用魷魚 - 弧菌系統(tǒng)，其中費氏弧菌是唯一可以在光器官中建立共生關(guān)聯(lián)的細菌，我們將這種復(fù)雜性降低到只有兩個伙伴。通過這種方式，識別和解釋關(guān)聯(lián)內(nèi)的對話變得更易于管理，揭示可能與理解更復(fù)雜系統(tǒng)(如人體腸道微生物組)相關(guān)的策略。夏威夷物種正在成為一種模式系統(tǒng)，以了解微生物如何有益于其宿主的生命。

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