具有顽强生命力的金鱼,在缺氧环境下可以活几个月

具有顽强生命力的金鱼,在缺氧环境下可以活几个月

绝大部分的脊椎动物(vertebrate)都是好氧生物,缺氧时顶多撑几分钟就挂了;有些鱼(如鲤鱼Cyprinus carpio)可以撑几小时。但有极少数的硬骨鱼,可以熬好几个月!它们发展出这个能力,主要为了要熬过冬天的时候湖泊冰封缺氧的问题。到底它们是如何能在缺氧的状况下活好几个月呢?

让我们先来了解一下,一般的脊椎动物缺氧时发生什么事。

一般的脊椎动物(如你、我),我们产生能量的途径主要是依靠糖解作用(glycolysis)先把葡萄糖等小分子分解为丙酮酸(pyruvate),再把丙酮酸运入粒线体(mitochondria );在粒线体中,丙酮酸会先被丙酮酸脱氢酶复合体(PDH,pyruvate dehydrogenase complex)转换为乙醯辅酶A(acetyl-CoA),再送入柠檬酸循环(Citric acid cycle)完全氧化。

缺氧的时候因为粒线体无法作用,只剩下糖解作用独挑大梁;但是糖解作用需要不断的有烟碱醯胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide,以下简称NAD+)将它产生的电子带走。原本这个工作是交给粒线体处理的,但缺氧时粒线体无法工作,于是电子便以NADH的型态累积,造成糖解作用因为缺少NAD 而无法工作。

这时候我们的细胞会先进行发酵作用(fermentation),消耗掉一部份的NADH,使糖解作用可以继续运行;但是发酵作用会产生乳酸(lactic acid),乳酸带有轻微的毒性,不能储存在体内,必须要尽快代谢掉,否则就会发生乳酸中毒(lactic acidosis);因此,脊椎动物不能在缺氧的状况下「撑」很久。

那么这些厉害的鱼(如黑鲫  Carassius carassius金鱼  Carassius auratus)是怎么撑好几个月呢?

过去的研究发现,它们竟然可以把乳酸转为酒精,然后再经由鳃排到水中!之前的研究团队认为,可能是PDH 把丙酮酸转为乙醛,再由一个特别的酒精去氢酶(ADH,alcohol dehydrogenase)将乙醛转为酒精。

PDH 是真核生物中最大的蛋白质复合体(protein complex),由三个酵素E1, E2, E3 构成。其中最重要的是E1,由两个α与两个β次单元(subunit)构成,其功能为将丙酮酸先脱碳、还原后再将乙醯基(acetyl group)转到E2;如果金鱼的PDH 不再将丙酮酸脱碳、还原,而是将丙酮酸转为乙醛,是否意味着E1 产生了变化呢?

为了解开这个谜题,挪威的科学家组成的研究团队比较了鲤科鱼类(鲤鱼、黑鲫、金鱼)的PDH 与ADH 的信息核糖核酸(mRNA,messenger RNA)的序列,以及这些基因在正常状况、缺氧一天、缺氧七天、缺氧七天后再放回正常状况六天在不同组织里的表现状况。

结果发现,在鲤鱼的不同组织里,不论什么状况,它的E1, E2, E3 的表现量都差不多;但是在黑鲫的骨骼肌中,其E1α 与E1β 的mRNA 整体表现量是心、肝、脑的十倍到一百倍。蛋白质的表现量也呼应mRNA 的量。

这么多E1α与E1β,是不是都是同一个基因的产物呢?过去已知鱼类在一至二亿年前曾发生过一次基因体重复,造成E1α有两个基因(以E1α 1、E1α 2表示),E2与E3也各有两个(以E2a、E2b、E3a、 E3b表示);而E1β只有一个。研究团队分析序列的结果发现,在黑鲫与金鱼的骨骼肌中,除了本来的两个E1α与一个E1β以外,还多了一个E1α与E1β(以E1α 与E1β 表示)。这两个E1的次单元在骨骼肌的红肌(red muscle)中为主要表现族群,占整体E1α与E1β的95%以上(E1α  95.7%,E1β 2  97.1%);但是在脑、心、肝里,这两个E1的次单元的表现量都很低。

多出来的E1α与E1β是哪里来的呢?研究团队认为,这两个新的基因应该来自于820万年前的鲤科鱼类基因体重复事件。从斑马鱼(Danio rerio)的基因体也印证了这点。斑马鱼在鲤科鱼类基因体重复发生之前,就与它们分道扬镳;分析它的基因体也只能看到两个E1α与一个E1β。

以上这些发现让研究团队认为:金鱼与黑鲫将丙酮酸转化为乙醛的能力,可能就是来自于这两个多出来的基因;也就是说,E1α 与E1β 组成一个特别的PDH-E1 ,将丙酮酸转化为乙醛。

是否这特别的PDH-E1,真的可以独立作战呢?首先研究团队分析了这两个E1次单元的表现量,发现在心、肝、脑中的E1:E2:E3 的比例都差不多;但是在红肌肉与白肌肉中不论是E1:E2 或E1:E3都出现六十倍的差距。

这么多的E1,当然有可能有一些E1是独立作战者;但是研究团队接着分析E1α 与E1β 的序列,发现E1β 的基因有个突变,使它的第319号氨基酸由带电的天冬胺酸(aspartic acid,D)变成不带电的天冬酰胺(asparagine,N)。过去在人类的E1β中曾发现类似的突变,造成E1与E2分离,影响PDH的功能。这样的突变对一般的PDH是有害的,但对于金鱼与黑鲫的PDH-E1来说,却是正中下怀!跟其他PDH的E1类似的是,这个PDH-E1也是透过调节α次单元的活性来调节整个酵素的活性。在缺氧时,它的E1α会被去磷酸化而活化;当氧气量恢复正常后,它又会被磷酸化而失去活性了。

所以,在金鱼与黑鲫中多出来的这个PDH-E1,它带有D319N 突变使它无法与E2 结合;但这么一来却正好让它可以发挥所长,将丙酮酸转换为乙醛。

光是转换为乙醛还是不够,如果乙醛不能被转换为酒精,那么也只是毒害自己而已。这就需要一个能够把乙醛转换为酒精的乙醇去氢酶(ADH)。在斑马鱼中确实有这么一个ADH,称为ADH8a;但它只表现在肝脏里。是否金鱼与黑鲫的基因体中也有表现在肌肉的ADH8a呢?

研究团队发现,在金鱼与黑鲫的基因体中,存在着三个ADH8a;其中的ADH8a3 占金鱼与黑鲫总体ADH8a 表现量的96%,而且这个ADH 并不表现在肝脏中!当然肝脏里还是有ADH,是ADH8a1;但是红肌肉里面的ADH(ADH8a3)是白肌肉与肝脏的四倍。ADH8a3 也存在着一个突变,将它的第122 号胺基酸由脯胺酸(proline,P)变成组胺酸(histidine,H)。由于这个位置正好在活化位址的附近,研究团队认为这个突变或许会让ADH8a3 对乙醛亲和力上升,造成更倾向于从乙醛合成酒精,而不是由酒精产生乙醛ˊ;不过这就有待后续再研究了。

整体看来,在金鱼与黑鲫中,由于基因体重复产生了额外的E1 次单元。因为有两组E1,使其中一组E1 可以有空间产生一些变化,进而让金鱼与黑鲫获取了更强的生存技能。

笔者以前在国外常听到朋友说:金鱼的生命力很强,即使你不想养了、把它冲到下水道里面去,它也还可以活得好好的;这点早已获得证实。有人在20年前把一缸金鱼倒入瓦瑟河(Vasse River),现在整条河都是金鱼。这篇研究告诉我们,就算是冲到下水道里,金鱼绝对还是可以活得好好的喔!

(文/叶绿舒 慈济大学)
参考文献:  Scientific Reports 

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