PNAS|趙華斌教授團隊發(fā)現(xiàn)動物嘗不到甜味的新機制
大多數(shù)哺乳動物都具備最基本的5種味覺感知形式，包括酸、甜、苦、咸、鮮；味覺幫助動物選擇食物，通常與動物生態(tài)學(xué)和動物食性演化密切相關(guān)。例如，大熊貓和小熊貓主要以竹子為食，基本不吃肉，它們負責(zé)感知肉類鮮美的鮮味受體就演化為假基因（即一種核苷酸序列同其相應(yīng)的正常功能基因基本相同，但卻不能合成出功能蛋白質(zhì)的失活基因）。甜味受體負責(zé)感知食物中的糖類物質(zhì)，例如葡萄糖，果糖和蔗糖；對于嚴格的肉食動物（比如家貓和老虎）來說，因為其食物成分中基本沒有糖分，那么甜味的感知就變得不再重要，它們的甜味受體基因也演化為假基因。然而，在有些動物類群中，味覺的演化并不能用于解釋動物的取食生態(tài)學(xué)（Feeding Ecology）。武漢大學(xué)生態(tài)學(xué)系趙華斌教授團隊長期研究脊椎動物食性多樣性及其分子進化，尤其關(guān)注味覺受體基因進化與動物食性的密切關(guān)系，先后發(fā)表了一系列相關(guān)論文；其中2010年發(fā)表于國際進化生物學(xué)期刊Molecular Biology and Evolution的論文，發(fā)現(xiàn)了食蟲蝙蝠和食果蝙蝠的甜味受體基因的序列同樣非常保守，即使食蟲蝙蝠的食物成分中已基本不含有糖分，它們的甜味受體基因并沒有演化為假基因。因此，該研究無法用味覺基因序列的演化模式來解釋蝙蝠的食性。然而，基因序列的保守并不一定表明基因功能的保守。限于當時的研究條件，為什么食蟲動物的甜味受體基因如此保守的問題一直沒有得到解答。
時隔十年之后，趙華斌團隊在美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）上發(fā)表研究論文，成功回答了這個難題。相關(guān)論文題目為：Loss of sweet taste despite the conservation of sweet receptor genes in insectivorous bats（食蟲蝙蝠丟失了甜味感知能力，盡管它們的甜味受體基因是保守的）。該研究報道了食蟲蝙蝠不能感知甜味的行為，并結(jié)合基因組數(shù)據(jù)挖掘、進化分析以及細胞功能實驗等手段揭示了該行為的分子進化機制，發(fā)現(xiàn)了動物無法品嘗甜味的新機制。
圖1. 相關(guān)論文在線發(fā)表于PNAS期刊
研究人員首先對現(xiàn)有蝙蝠基因組進行數(shù)據(jù)挖掘和PCR擴增，得到了34種蝙蝠代表物種的甜味受體基因全長序列。其中，只有普通吸血蝠的甜味受體基因發(fā)生了假基因化，這可能與其特殊的吸血食性和狹窄的食譜相關(guān)。然而，食蟲蝙蝠與食果蝙蝠的甜味受體基因均保持完整；進一步的進化分析也顯示，這兩類蝙蝠的甜味受體基因序列的進化速度相似，序列比較保守。盡管本研究的數(shù)據(jù)量較大，序列分析的結(jié)果仍與2010年發(fā)表的Molecular Biology and Evolution論文一致。那么，在行為水平上，食蟲蝙蝠與食果蝙蝠的甜味感知是否有區(qū)別呢？研究人員對一種食果蝙蝠（棕果蝠）和一種食蟲蝙蝠（大足鼠耳蝠）進行了取食偏好的實驗，即“雙杯實驗”。給蝙蝠一杯含糖的食物作為實驗組和一杯不含糖的食物作為對照組，觀測并統(tǒng)計其取食量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，棕果蝠（食果）傾向于取食含糖的溶液，這表明棕果蝠具備正常的甜味感知能力；而大足鼠耳蝠（食蟲）對含糖和不含糖食物的取食量并沒有顯著區(qū)別，說明大足鼠耳蝠的甜味感知能力丟失了。
圖2：行為學(xué)實驗證明了食蟲蝙蝠無法品嘗天然糖類的甜味
為了進一步探究食蟲蝙蝠無法品嘗甜味的行為的原因，研究人員利用鈣成像技術(shù)在細胞水平研究了9種蝙蝠甜味受體的功能。結(jié)果顯示，食蟲蝙蝠的甜味受體都不能被幾種天然糖類所激活，而食果蝙蝠的甜味受體可以被果糖和蔗糖所激活。通過構(gòu)建嵌合體進行細胞實驗，研究人員進一步鑒定出導(dǎo)致食蟲蝙蝠甜味受體丟失甜味感知功能的VFD關(guān)鍵功能域。正是因為食蟲蝙蝠甜味受體的VFD關(guān)鍵功能域積累了一些突變，才導(dǎo)致了其甜味感知功能的丟失。令人吃驚的是，雖然行為學(xué)和細胞學(xué)實驗證明了食蟲蝙蝠的甜味受體不能感知天然糖分，但是這些甜味受體仍然具有感知其它化合物的功能。因此，該研究團隊搭建的細胞實驗體系在技術(shù)細節(jié)上是成功的，也說明動物甜味受體基因的功能具有很強的進化可塑性。
圖3：利用鈣成像技術(shù)在細胞水平上證明了食蟲蝙蝠的甜味受體無法被天然糖類激活
總之，該研究報道了食蟲蝙蝠無法感知甜味的行為并解析了該行為的分子進化機制，提出了動物丟失味覺的新機制。簡單來講，即使昆蟲體內(nèi)的糖分很少，但食蟲蝙蝠卻保留了完整的甜味受體基因，只是其感知甜味物質(zhì)的能力也已經(jīng)丟失了。而食果蝙蝠的食物成分中含有大量糖分，因此保留了甜味感知的功能。該研究為味覺受體的功能進化與食性的演化緊密相關(guān)提供了新的證據(jù)，提出了整合動物行為學(xué)、進化生物學(xué)、細胞生物學(xué)等技術(shù)手段在生態(tài)學(xué)研究中的重要意義，為分子與進化生態(tài)學(xué)的相關(guān)研究提供了新的思路。誠然，本研究僅針對蝙蝠這一類群進行了研究，未來將針對哺乳動物、脊椎動物的研究將會有更多的發(fā)現(xiàn)。
武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘副研究員焦恒武博士、碩士畢業(yè)生謝煥旺和廣東省科學(xué)院動物研究所張禮標研究員為論文的共同第一作者，武漢大學(xué)生態(tài)學(xué)系趙華斌教授為論文的通訊作者，美國Monell化感中心的Peihua Jiang博士和西藏大學(xué)的尼瑪卓瑪同學(xué)也參與了該研究。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金、廣東省科技發(fā)展專項資金等的支持。
趙華斌實驗室網(wǎng)站：
http://animal-evolution.whu.edu.cn/
原文鏈接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2021516118
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