科大研究团队首次解开「海洋穿山甲」基因密码

为探索深海生物的潜力奠定重要基础

24-04-2020

香港科技大学(科大)的研究人员首次破解「海洋穿山甲」鳞足螺的基因组。鳞足螺是一种稀有的海螺,牠们生活于被科学家认为是「生命之源」的极端栖息地 — 深海海底热泉(hydrothermal vent)。破解这种独特生物的基因密码,不但有助揭示生命在数十亿万年前是如何诞生及演变,亦为进一步探索这些古老生物的潜力提供基础。

Hydrothermal vent (Photo Credit: JAMSTEC)
海底热泉 (圖片來源﹕JAMSTEC)

深海海底热泉无论是温度、水压以至酸性皆非常高,且含氧量低,与史前的极端环境相似,但依然孕育了多样生命,当中不少于生物医学或其他范畴均具有极大潜力。作为其中一种可以适应如此极端环境的生物,鳞足螺比起其他海底热泉中的住客,更受海洋科学家的关注。

Scaly-foot Snail
鳞足螺

鳞足螺是现存腹足纲类生物 (一种主要的软体动物,即蜗牛及海螺类)中惟一一种仍拥有像盔甲般鳞片的海螺,因此亦被称为「海洋穿山甲」,虽然这种特征于五亿四千万年前(寒武纪时代)的软体动物中十分常见。除此之外,鳞足螺亦是现今世上惟一已知可吸取海底热泉的铁质并将之转化成自己「盔甲」的生物,令牠于2007-2017年间被列为十大奇异海洋生物之一。但由于寻找及采集这种海螺极为困难,因此我们对牠的基因排序及独特形态的由来所知不多。

The Scaly-foot Snail on the left has incorporated the iron from the hydrothermal vent while the one on the right has not.
左图为吸收了海底热泉铁质的鳞足螺,右图为没有吸收海底热泉铁质的鳞足螺

不过,由科大海洋科学系及生命科学部讲座教授钱培元领导的研究团队,近日与日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)合作,从印度洋水深约二千九百米的海底成功采集20多只鳞足螺,分析牠们的基因序列。

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科学家一直以为鳞足螺可能蕴含一些崭新及特别的基因,以致牠有如此奇异的形态。出乎预料的是科大团队发现鳞足螺的所有基因均可在如鱿鱼或珍珠贝等其他软体动物中找到,而鳞足螺的基因序列在牠演变的过程中几乎没有改变。研究人员发现当中二十五个掌管鳞足螺鳞片及外壳形成的转录因子(一种可以调节下游基因表达的蛋白),原来亦控制了其他软体动物一些独特坚硬部分的形成,例如腹足纲的壳盖(operculum)、鱿鱼的喙(beak)、石鳖的骨针(spicule)或多毛纲(polychaetes,包括沙蚕、海稚虫等)的刚毛等。

Prof. Qian Peiyuan
钱培元教授

本身亦为科大捷成David von Hansemann 理学教授的钱教授表示﹕「虽然我们的研究没有发现任何新的与鳞足螺鳞片形成相关的基因,但它为生物矿化机制(biomineralization) — 即透过基因的组合、排序以及「开关」等机制以决定物种形态的过程,提供了新的见解。剖析鳞足螺的基因组,不但推进了我们对软体动物基因的认识,亦奠下相关理论的基础,为未来应用提供良好条件。比方说,鳞足螺的「盔甲」能承受巨大撞撃,了解其相关的基因组成是否有助我们设计一个更具防御性的保护装备? 这可以是其中的一个研究方向。」

研究结果已于科学期刊《自然通讯》中发表。

基因排序的研究往往能为生物医学或其他方面带来突破,例如一种生活于海底热泉的微生物,其产生的酶除被应用作检测艾滋病及沙士病毒以外,近日亦获应用于检测新型冠状病毒。

 

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 钱培元教授(前)及其研究团队
钱培元教授(前)及其研究团队