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妈妈感染过病原菌,连续四代子孙都认识

当一个有机体在其环境中遇到一种威胁时,向其他物种发出危险警告是对该物种有利的。线虫经常在其环境中遇到危险,如致病细菌铜绿假单胞菌,这种细菌看起来像是一种很有吸引力的食物来源,但如果食用,会使线虫生病。然而线虫并不能像人类那样大声发出警告,但普林斯顿大学研究员科琳·墨菲(Coleen Murphy)实验室的研究人员的新工作表明,遇到铜绿假单胞菌,线虫也会发出警报帮助其他虫避免这种危险,并确定了这一机制的关键部分。

在早期的研究中,Murphy的实验室发现,感染铜绿假单胞菌使线虫学会了避开细菌,并且它们可以在接下来的四代中给后代留下这种回避行为的印象。吃过铜绿假单胞菌的线虫妈妈,铜绿假单胞菌通过肠道吸收一种称为P11的细菌小RNA,该RNA在线虫生殖系生殖细胞中触发一个信号,然后传递给控制行为的神经元。之后,新的行为通过生殖系细胞的改变传递给未来的后代。在他们的新论文中,第一作者Rebecca Moore、Rachel Kaletsky和Chen Lesnik及其同事表明,逃避行为也可以从训练有素的线虫传递给其他没有接触过的成年线虫。

Murphy解释说:“我们发现,一种线虫可以学会避开这种病原菌,如果我们碾碎这种线虫,甚至仅仅使用线虫游动的培养基,将培养基或碾碎的线虫裂解液给没有遇到过病原菌的线虫,那么这些线虫现在也会学会避开这种病原菌。”

这一发现表明,线虫会分泌一些信号,当被其他线虫捕获时,这些信号可以改变它们的行为。有趣的是,通过接受这种信号“教育”的线虫后代也可以避免致病性铜绿假单胞菌在接下来的四代。这表明分泌的信号在受体线虫中与直接接触病原体的线虫中触发相同的学习途径。Murphy的研究小组试图识别这种秘密信号。

Murphy说:“我们发现,一种叫做Cer1的逆转录转座子,它能形成病毒样颗粒,似乎不仅在组织之间(从线虫的生殖系到神经元)而且在个体之间携带记忆。”

逆转录转座子是一种基因元件,类似于病毒,它将自身插入宿主动物的DNA中。研究人员发现Cer1存在于线虫生殖系细胞的DNA中,并且逆转录转座子被RNA干扰击倒的母线虫无法学习回避铜绿假单胞菌通过接触P11,向后代传递回避行为,或教育附近的线虫。此外,成年受体线虫需要Cer1出现在它们的基因组中,以便学会避开病原体。作者发现,两种自然缺乏Cer1的野生线虫株无法做到这些,这表明在这些株中,Cer1是建立、传播和接受这种回避行为所必需的。

Murphy说:“我们认为,Cer1可能使线虫在与病原体的斗争中占据优势,即使在非致病性条件下,在其基因组中获得Cer1可能对线虫有害。”

“Murphy等人的发现具有挑衅性,”RNA干扰的共同发现者、麻省大学分子医学教授Craig Mello说。“在越来越多的研究中,这是另一个有趣的插曲,这些研究暗示系统性RNA信号在跨代影响行为,如果这项研究是正确的,现在它甚至说明这种影响力是水平的。”

尽管其他研究表明,海兔等动物能够在个体之间传递记忆,但这项研究首次提出了在自然界中发生这种记忆传递的机制。然而,这项研究也提出了一些紧迫的问题。例如,正如Mello指出的,现在已经证实线虫利用RNA信号将信息传递给后代,但目前还不清楚Cer1对这一途径的作用。

Mello问道:“为什么动物需要病毒向后代传递信号?到底是什么在被转移?”

Mello说,为了证明线虫和Cer1逆转录因子之间的进化关系,填补这些理解上的空白将是重要的。这正是Murphy的团队正在努力做的。


原文检索:Rebecca S. Moore, Rachel Kaletsky, Chen Lesnik, Vanessa Cota, Edith Blackman, Lance R. Parsons, Zemer Gitai, Coleen T. Murphy. The role of the Cer1 transposon in horizontal transfer of transgenerational memory. Cell, 2021; 184 (18): 4697 DOI: 10.1016/j.cell.2021.07.022


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