金魚如何可以在缺氧的環境下活五個月？

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 E1α₃ 與 E1β₂ 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（E1α₃ 95.7%，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，E1α₃ 與 E1β₂ 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 E1α₃ 與 E1β₂ 的序列，發現 E1β₂ 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。