采采蠅與牠們的基因

■你知道采采蠅為什麼只吃血、不吃糖、喜歡藍色,還有成為傳染惡名昭彰的非洲睡眠症傳染源,也是千百個不願意嗎?

By: Amedeo John Engel Terzi Credit: Wellcome Library, London
圖一:義大利插畫家兼昆蟲學家 Amedeo John Engel Terzi (1872-1956) 筆下的采采蠅。Credit: Wellcome Library, London

撰文|陳瑩

相信大家都聽說過,在非洲,如果被采采蠅 (Tsetse fly, Diptera: Glossinidae; 圖一) 咬到,很可能會患上非洲錐蟲症 (African trypanosomiasis,又稱非洲睡眠症,African sleeping sickness) 。除了會有發燒、頭痛、身體不適等等常見的感染症狀外,還會出現精神不濟、嗜睡的症狀,如果沒有積極進行醫療處理的話,患者最後昏迷死亡的機率極高。由於以吸食血液維生的采采蠅「獵食」目標不僅限於人類,也包括牛羊等等牲畜,因此非洲錐蟲症和采采蠅這對搭擋,可說是同時危害非洲公共衛生和畜牧經濟的超級反派角色。

儘管早在古埃及時代的文獻裡,就有疑似描述牛隻被某種蠅咬到而感染錐蟲症死亡的相關記載,但這種病透過采采蠅傳播的寄生感染機制細節,是在十八世紀末、十九世紀初歐洲傳教士和科學家前撲後繼抽絲剝繭地研究下才逐漸明朗。時至今日,隨著生物科技的神速發展,各式各樣的分子工具如雨後春筍般浮現,讓科學家們能夠進一步挑戰那些長久以來繚繞著采采蠅和錐蟲症的種種謎團。

●采采蠅:老闆我要一杯純血無糖去冰謝謝

不同於蚊子、沙蠅等等相對雜食的雙翅目表親們,采采蠅不論公母,都只以動物血液為唯一食源。但是動物血液和樹液果汁不同,除了特別容易凝固以外,血液內含有大量抗體,還有動物在被叮咬後會快速發生發炎反應,讓采采蠅身上必須配備一些特殊的能力應付這些狀況。科學家透過最新的基因定序技術,發現采采蠅身上有著至少兩群的特化基因,讓采采蠅能夠製造出大量多樣的唾腺蛋白質對抗凝血、血小板聚集、血管收縮等等不利吸血的情況,讓采采蠅在叮咬動物的時候,只要同時注入自己的口水,就能順利飽餐一頓。此外,科學家發現采采蠅身上有著比蚊子和果蠅還要多的水通道蛋白基因 (aquaporin genes, aqps),推測這和采采蠅會一次性吸入等同於自己體重如此大量的血液,必須在短時間內快速排出多餘的水分、維持自身體內電解質平衡有關。

有趣的是,科學家還發現采采蠅身上缺乏和分解碳水化合物有關的基因。一個在采采蠅血液餌料中加糖的實驗發現,如果血液內含糖超過5%的話,就會要采采蠅的命。由於采采蠅體內主要是透過轉換脯胺酸 (proline) 和丙氨酸 (alanine) 獲得能量,並以二酸甘油酯(diglycerides) 和三酸甘油酯 (triglycerides) 的形式儲藏熱量,所以采采蠅不愛糖也不需要糖,說來也是情有可原。

●讓采采蠅趨之若鶩的藍色和二氧化碳

由於目前尚無針對錐蟲設計的疫苗抗體可用,所以非洲諸國普遍採用全面消滅采采蠅族群這個方法控制非洲錐蟲症蔓延。而要有效率地捕捉采采蠅,首先要知道什麼因素最能吸引采采蠅聚集。數年前,科學家們在肯亞維多利亞湖上的小島,進行了一項測試采采蠅喜歡什麼顏色和布料的實驗。結果發現,顏色愈藍采采蠅愈愛,而顏色愈綠、紫外線反射愈強的布料,采采蠅愈不喜歡。因此該研究團隊建議使用藍色、低紫外線反射的布料,捕捉采采蠅的效果最佳。采采蠅喜歡藍色這點,在基因定序的研究裡也得到印證。科學家發現,很多和果蠅的視覺能力相關的基因,同樣在采采蠅身上也有。其中最特別的是 Rh5 視蛋白穿膜受器基因 (Rh5 opsin transmember receptor gene),這個只表現在 R8p 感光細胞 (R8p photoreceptor cells) 裡、先前以為是果蠅特有的基因,也出現在采采蠅的基因體裡。果蠅的 R8p 感光細胞有著對藍光敏感的特性,暗示著采采蠅應該有也有 R8p 感光細胞,而且也應該是采采蠅明顯偏好藍色的原因。

除了那些和視覺能力有關的基因以外,不同種的采采蠅身上同時都 Gr21a 基因,一個在先前的果蠅、蚊子等昆蟲的研究裡,已證實和偵測環境中二氧化碳能力有關的基因。此外,這個基因在采采蠅的基因體內有著比果蠅、蚊子還要多的副本,而且序列組成穩定變異不大,顯示采采蠅相當依賴基因的功能,也就是利用二氧化碳尋找大餐的本事。

●采采蠅其實也是非洲錐蟲症的受害者?

先前提到,采采蠅在叮咬動物時,會同時注入自己的口水,而非洲錐蟲症的病源錐蟲 (genus Trypanosoma) ,就是利用這個機會進到動物體內。進到動物體內的錐蟲開始大量繁殖,透過血液在動物體內到處流竄。此時如果有采采蠅叮咬了已經被錐蟲感染的宿主,則帶有錐蟲的血液,就進入采采蠅的消化道。進入采采蠅體內的錐蟲,能夠穿過采采蠅用來隔絕血液中病原體的圍食膜(peritrophic matrix) ,進入采采蠅的唾腺,伺機趁采采蠅覓食時,感染下一個無辜的受害者 (圖二)。

然而在非洲錐蟲症的感染循環中,采采蠅在某種程度上也是個受害者。同樣也是利用基因定序技術,科學家比較了采采蠅的唾腺組織內的基因表現模式,在身上帶有錐蟲和沒有錐蟲的個體之間的差異性。結果發現那些和逆境耐受、細胞損害修補有關的基因,在有錐蟲的采采蠅唾腺組織裡大量表現。而且因為錐蟲的存在,使得采采蠅唾腺裡部分基因和蛋白無法正常表現,導致吸血效率變差、時間變久,在在顯示錐蟲的存在,對采采蠅本身來說也是不利。所以如果可以選的話,采采蠅應該也不想成為散佈非洲錐蟲症的幫兇吧。

圖二:錐蟲在采采蠅及哺乳動物寄主身上的生活史。左右邊各色的框格分別對應采采蠅及哺乳動物體內各器官同色部位,匡格內為錐蟲在該部位時所表現的生活史階段。圖片提供:Richard Wheeler.
圖二:錐蟲在采采蠅及哺乳動物寄主身上的生活史。左右邊各色的框格分別對應采采蠅及哺乳動物體內各器官同色部位,匡格內為錐蟲在該部位時所表現的生活史階段。圖片提供:Richard Wheeler.

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作者:陳瑩 台灣大學生態與演化生物學碩士、英國德倫大學生命科學博士。現為成功大學生命科學系專案博士後助理研究員。過去主要以海洋哺乳動物族群遺傳學為研究主題,現在轉向研究蝙蝠與其寄生蟲之間的愛恨情仇。

 

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