金魚如何可以在缺氧的環境下活五個月?

金魚。圖片來源:Wiki

撰文|葉綠舒

絕大部分的脊椎動物(vertebrate)都是好氧生物,缺氧時頂多撐幾分鐘就掛了;有些魚(如鯉魚Cyprinus carpio)可以撐幾小時。但有極少數的硬骨魚,可以熬好幾個月!牠們發展出這個能力,主要為了要熬過冬天的時候湖泊冰封缺氧的問題。到底牠們是如何能在缺氧的狀況下活好幾個月呢?

讓我們先來瞭解一下,一般的脊椎動物缺氧時發生什麼事。

一般的脊椎動物(如你、我),我們產生能量的途徑主要是依靠醣解作用(glycolysis)先把葡萄糖等小分子分解為丙酮酸(pyruvate),再把丙酮酸運入粒線體(mitochondria);在粒線體中,丙酮酸會先被丙酮酸脫氫酶複合體(PDH,pyruvate dehydrogenase complex)轉換為乙醯輔酶 A(acetyl-CoA),再送入檸檬酸循環(Citric acid cycle)完全氧化。

缺氧的時候因為粒線體無法作用,只剩下醣解作用獨挑大樑;但是醣解作用需要不斷的有菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide,以下簡稱 NAD+)將它產生的電子帶走。原本這個工作是交給粒線體處理的,但缺氧時粒線體無法工作,於是電子便以 NADH 的型態累積,造成醣解作用因為缺少 NAD而無法工作。

這時候我們的細胞會先進行發酵作用(fermentation),消耗掉一部份的 NADH,使醣解作用可以繼續運行;但是發酵作用會產生乳酸(lactic acid),乳酸帶有輕微的毒性,不能儲存在體內,必須要盡快代謝掉,否則就會發生乳酸中毒(lactic acidosis);因此,脊椎動物不能在缺氧的狀況下「撐」很久。

那麼這些厲害的魚(如黑鯽 Carassius carassius或金魚 Carassius auratus)是怎麼撐好幾個月呢?

過去的研究發現,牠們竟然可以把乳酸轉為酒精,然後再經由鰓排到水中!之前的研究團隊認為,可能是 PDH 把丙酮酸轉為乙醛,再由一個特別的酒精去氫酶(ADH,alcohol dehydrogenase)將乙醛轉為酒精。

PDH 是真核生物中最大的蛋白質複合體(protein complex),由三個酵素 E1, E2, E3 構成。其中最重要的是 E1,由兩個α與兩個β次單元(subunit)構成,其功能為將丙酮酸先脫碳、還原後再將乙醯基(acetyl group)轉到 E2;如果金魚的 PDH 不再將丙酮酸脫碳、還原,而是將丙酮酸轉為乙醛,是否意味著 E1 產生了變化呢?

為了解開這個謎題,挪威的科學家組成的研究團隊比較了鯉科魚類(鯉魚、黑鯽、金魚)的 PDH 與 ADH 的信息核醣核酸(mRNA,messenger RNA)的序列,以及這些基因在正常狀況、缺氧一天、缺氧七天、缺氧七天後再放回正常狀況六天在不同組織裡的表現狀況。

結果發現,在鯉魚的不同組織裡,不論什麼狀況,牠的 E1, E2, E3 的表現量都差不多;但是在黑鯽的骨骼肌中,其 E1α 與 E1β 的 mRNA 整體表現量是心、肝、腦的十倍到一百倍。蛋白質的表現量也呼應 mRNA 的量。

這麼多 E1α 與 E1β,是不是都是同一個基因的產物呢?過去已知魚類在一至二億年前曾發生過一次基因體重複,造成 E1α 有兩個基因(以E1α1、E1α2表示),E2 與 E3 也各有兩個(以 E2a、E2b、E3a、E3b 表示);而 E1β 只有一個。研究團隊分析序列的結果發現,在黑鯽與金魚的骨骼肌中,除了本來的兩個 E1α 與一個 E1β 以外,還多了一個 E1α 與 E1β(以 E1α與 E1β表示)。這兩個E1的次單元在骨骼肌的紅肌(red muscle)中為主要表現族群,佔整體 E1α 與 E1β 的 95% 以上(E1α95.7%,E1β2 97.1%);但是在腦、心、肝裡,這兩個 E1 的次單元的表現量都很低。

多出來的 E1α 與 E1β 是哪裡來的呢?研究團隊認為,這兩個新的基因應該來自於 820 萬年前的鯉科魚類基因體重複事件。從斑馬魚(Danio rerio)的基因體也印證了這點。斑馬魚在鯉科魚類基因體重複發生之前,就與牠們分道揚鑣;分析牠的基因體也只能看到兩個 E1α 與一個 E1β。

以上這些發現讓研究團隊認為:金魚與黑鯽將丙酮酸轉化為乙醛的能力,可能就是來自於這兩個多出來的基因;也就是說,E1α與 E1β組成一個特別的 PDH-E1,將丙酮酸轉化為乙醛。

是否這特別的 PDH-E1,真的可以獨立作戰呢?首先研究團隊分析了這兩個E1次單元的表現量,發現在心、肝、腦中的 E1:E2:E3 的比例都差不多;但是在紅肌肉與白肌肉中不論是 E1:E2 或 E1:E3 都出現六十倍的差距。

這麼多的 E1,當然有可能有一些E1是獨立作戰者;但是研究團隊接著分析 E1α與 E1β的序列,發現 E1β的基因有個突變,使它的第 319 號氨基酸由帶電的天冬胺酸(aspartic acid,D)變成不帶電的天冬酰胺(asparagine,N)。過去在人類的 E1β 中曾發現類似的突變,造成 E1 與 E2 分離,影響 PDH 的功能。這樣的突變對一般的 PDH 是有害的,但對於金魚與黑鯽的 PDH-E1 來說,卻是正中下懷!跟其他 PDH 的 E1 類似的是,這個 PDH-E1 也是透過調節 α 次單元的活性來調節整個酵素的活性。在缺氧時,它的 E1α 會被去磷酸化而活化;當氧氣量恢復正常後,它又會被磷酸化而失去活性了。

所以,在金魚與黑鯽中多出來的這個 PDH-E1,它帶有 D319N 突變使它無法與 E2 結合;但這麼一來卻正好讓它可以發揮所長,將丙酮酸轉換為乙醛。

光是轉換為乙醛還是不夠,如果乙醛不能被轉換為酒精,那麼也只是毒害自己而已。這就需要一個能夠把乙醛轉換為酒精的乙醇去氫酶(ADH)。在斑馬魚中確實有這麼一個ADH,稱為ADH8a;但它只表現在肝臟裡。是否金魚與黑鯽的基因體中也有表現在肌肉的ADH8a呢?

研究團隊發現,在金魚與黑鯽的基因體中,存在著三個 ADH8a;其中的 ADH8a3 佔金魚與黑鯽總體 ADH8a 表現量的 96%,而且這個 ADH 並不表現在肝臟中!當然肝臟裡還是有 ADH,是ADH8a1;但是紅肌肉裡面的 ADH(ADH8a3)是白肌肉與肝臟的四倍。ADH8a3 也存在著一個突變,將它的第 122 號胺基酸由脯胺酸(proline,P)變成組胺酸(histidine,H)。由於這個位置正好在活化位址的附近,研究團隊認為這個突變或許會讓 ADH8a3 對乙醛親和力上升,造成更傾向於從乙醛合成酒精,而不是由酒精產生乙醛ˊ;不過這就有待後續再研究了。

整體看來,在金魚與黑鯽中,由於基因體重複產生了額外的 E1 次單元。因為有兩組 E1,使其中一組 E1 可以有空間產生一些變化,進而讓金魚與黑鯽獲取了更強的生存技能。

筆者以前在國外常聽到朋友說:金魚的生命力很強,即使你不想養了、把牠沖到下水道裡面去,牠也還可以活得好好的;這點早已獲得證實。有人在20年前把一缸金魚倒入瓦瑟河(Vasse River),現在整條河都是金魚。這篇研究告訴我們,就算是沖到下水道裡,金魚絕對還是可以活得好好的喔!

 

參考文獻:Cathrine E. Fagernes et. al., 2017. Extreme anoxia tolerance in crucian carp and goldfish through neofunctionalization of duplicated genes creating a new ethanol-producing pyruvate decarboxylase pathway. Scientific Reports 7. doi:10.1038/s41598-017-07385-4

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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