每个人身上，都有一种恶心的生物学奇迹
2022/9/18 7:00:00 科学大院
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说起黏液，你的第一反应或许是“太恶心了!”从蛞蝓身上的黏液，到我们嘴里的唾液，许多滑溜溜的体液中都含有黏液。
虽然很多时候我们对它嗤之以鼻，但实际上，黏液具有惊人的生物学功能。黏液可以润滑并保护组织表面，一些有益的微生物已经进化到生活在黏液包裹的表面上，而它同时也可以作为一种保护屏障，屏蔽病原体入侵，帮助我们抵御疾病。
黏液那种“黏糊糊”的感觉主要来自黏蛋白。这类分子具有多种功能，但作为一个家族，它们在黏液中发挥着重要作用。比如，第一个被纯化并被生化表征的黏蛋白来自唾液腺，唾液中的黏蛋白可以保护牙齿不被蛀坏，有助于平衡口腔中的微生物群，还会让食物变得顺滑，以便我们能够吞下。
那么，这种生物学奇迹是如何进化的呢？
一项关于黏蛋白的新研究认为，在哺乳动物中，那个问题的答案是多次进化，而且往往以一种出乎意料的方式。论文已于近日发表在《科学进展》上。
图片来源：Filter Forge, Flickr, CC BY
黏液化事件
在过去数十年间，团队一直在研究唾液中的黏蛋白。他们谦虚地将这项研究成果归结于“走运”。他们在进行唾液研究时，敏锐地发现了一些有趣的、很酷的东西，并决定继续追踪下去。
团队注意到，人类有一种叫作MUC7的小型唾液黏蛋白，它在小鼠体内并不存在。不过，啮齿动物实则有一种大小相当的唾液黏蛋白，被称为MUC10。他们非常好奇，从进化的角度来看，这两种蛋白质是否存在关联。
一些哺乳动物物种中新的和已知的黏蛋白基因。
图片来源：Pajic, P. et al., 2022
答案是否定的。但是，进一步的研究发现了意外之喜。
虽然MUC10似乎与MUC7没有关系，但在人类眼泪中发现的一种名为PROL1的蛋白质，却与MUC10的部分结构相同。PROL1看上去很像MUC10，但没有使MUC10成为黏蛋白的那种关键的有糖衣的洗瓶刷状重复序列。
研究人员推测，眼泪中的那种基因以某种方式最终被重新利用了。它获得了重复序列，被赋予了黏蛋白的功能，并且如今在小鼠和大鼠的唾液中大量表达。
他们进而想知道，其他黏蛋白是否也可能以同样的方式形成。他们开始调查，结果发现了这一现象的多个例子。
尽管许多黏蛋白在各种哺乳动物群体中具有共同祖先，但通过对49个哺乳动物物种的黏蛋白基因进行比较，科学家发现了15个实例，在这些例子中，新的黏蛋白似乎是通过一个将非黏蛋白转化为黏蛋白的添加过程进化而来的。
他们提出，所有这些“黏液化”事件，都是从一种不是黏蛋白的蛋白质开始的。在某个时候，进化在这个非黏蛋白的基础上增加了一个新的部分。这个部分包含由氨基酸作为基本构建组成的短链，这些氨基酸被糖分子修饰。
随着时间的推移，这个新的区域被复制，多个副本被添加到蛋白质上，让它进一步变长，并最终成了黏蛋白。这些被称为重复的倍增区域，正是黏蛋白功能的关键。
研究人员在黏蛋白中看到的重复被称为PTS重复，因为它们含有大量的脯氨酸(P)、苏氨酸(T)和丝氨酸(S)，它们帮助黏蛋白发挥了重要的生物功能。覆盖这些部分的糖，就像洗瓶刷的刷毛一样向外突出，它们赋予了黏蛋白那种黏稠的特性，对这些蛋白质执行的许多重要任务至关重要。
这是人们第一次发现，蛋白质功能还能以这样的方式进化。一个不是黏蛋白的蛋白质，仅仅通过获得重复序列，就变成了黏蛋白。
黏蛋白化的进化装配线示意。
图片来源：Pajic, P. et al., 2022
这是进化制造黏液的一个重要方式。他们还注意到，这似乎相当保守，因为研究集中在几十个哺乳动物物种的基因组的一个区域。也许可以这么说，它似乎是一种“不错”的技巧，在漫长的历史中在哺乳动物身上一次又一次地出现。
惊人的生命特征
科学家相信，黏液是一种惊人的生命特征。他们依旧很好奇，同样的进化机制是否也驱动了蛞蝓、黏鳗和其他动物的黏液的形成。要找到答案还需要更多的研究。
同时，他们仍在追寻的问题是，新的基因功能是如何进化的。团队正在通过提供一种新机制的证据来补充这一论述，也就是胡搜，在一个基因内获得重复序列，会带来一种新的功能。
这类研究可能具有更广泛的意义，让我们既可以理解适应性进化，也能解释某些致病的变体。如果这些黏蛋白在不同时间、在不同的物种中不断地从非黏蛋白进化而来，这表明一定存在某种适应性压力，让这种过程变得具有优势。
从另一个角度来说，如果这种机制“脱轨”了，也就是发生得太多了，或者发生在了错误的组织中，它就有可能导致疾病，比如某些癌症或者黏膜疾病。
参考来源：
[1] https://www.buffalo.edu/news/releases/2022/08/023.html
[2] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm8757
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