頭條

翩翩水中蝶

許浩霖潛研水母基因組

水母非魚,倒也知魚之樂,出游從容,舞姿曼妙。張充和有〈桃花魚〉一詞,將這身若泡影、如「飛蓋約殘花」的水中物,喻作蝴蝶。一海一空,兩相比況,乍看下只是文人墨客的筆法,但聽過許浩霖教授的解說,你會發現兩者確實大有淵源。

許教授生於香港,少時在本地求學,及後負笈牛津,攻讀博士。一如不少港人,許教授的記憶裏少不了海洋公園,而那正是東南亞首間獨立水母館之所在。後來許教授回港,於2012年底加入中大生命科學學院,海洋公園成了他的拍檔,不時送來海洋生物樣本,供以研究。

神祕又美麗

水母是刺胞動物,同門有海葵、珊瑚等。我們熟悉的那個頂部呈鐘形、曳着裊裊觸鬚的身影,其實是牠們成年後的形態。牠們年幼時細小得多,呈水螅體,外貌更似供小丑魚藏身的海葵。

水母深得海洋愛好者歡心,但世人對其所知甚少。牠們的演化過程、繁殖方式、飲食習慣,凡此種種,均有待釐清。而水母眾多種類當中,又以有「永生水母」之稱的道恩燈塔水母(Turritopsis dohrnii)令生物學家費煞思量。某些條件下,這種水母會返老還童,回復水螅形態。有說此循環可運行不息,在生物學的意義上,這已近乎長生不死。

許教授並未親身研究這種水母,但他推斷此特性與其細胞重新編碼有關。無論如何,水母還是會經歷不同階段,形態亦非永恆不變。許教授本身對昆蟲學頗有心得,尤好研究昆蟲從卵、幼蟲、蛹至成蟲的蛻變。在他看來,水母的變形機制同樣有趣。另一方面,許教授希望了解牠們大量繁衍的原因。水母的觸鬚可釋出毒素,螫傷人類;大批水母漂流海上,或傷及泳客與潛水人士。牠們空群而出,亦可損毀捕魚工具,甚而堵塞發電廠的冷卻系統。

動物學來到現代,離不開分子層面的研究。要揭開水母的重重面紗,自然也要從牠們的基因構造入手。許教授與團隊正是在牠們的基因組裏追尋答案,一找便是八年。眾人殫智竭力,最近有所突破。他們的成果刊於Nature Communications,大獲好評,此文執筆之時,論文仍在學刊網站獲重點推介。

潛研基因之海

許教授等人的研究涵蓋天草水母(Sanderia malayensis)與赤月水母(Rhopilema esculentum)兩個物種。赤月水母就是我們間中吃到的海蜇,兩種水母都在亞洲海域十分常見。

天草水母(左)、赤月水母(右)

研究的第一重難關,乃從樣本身上提取脱氧核醣核酸(DNA)及核醣核酸(RNA),供基因排序之用。水母的身體超過九成是水份,從中抽取這些物質並不如想像中容易。有見常用的提取技術或不足以應付這項工程,許教授的團隊費盡心思,調整抽樣方式。可幸眾人成功解決問題,得以進入基因排序及組裝階段。

在一眾學者不斷推陳出新、精進技術下,團隊終迎來碩果。他們為兩種水母從頭整合出品質甚佳的參考基因組,當中一些代代相傳和自身獨有的特徵,更有助世人了解刺胞動物以至佔現存動物物種百分之九十九的兩側對稱動物,究竟是依循怎樣的路徑演化。

轉化之本、物種之源

觀乎昆蟲等節肢動物,其脫殼、化羽等形態轉變是由一種名為倍半萜類激素的物質調節。水母亦會變形,惟科學家一直未能在牠們體內找到類似激素,故推斷刺胞動物另有某種神祕的轉化機制。許教授與團隊利用上述的參考基因組,發現天草水母與赤月水母其實亦有編製倍半萜類激素的基因,拆解了這個困擾學界多時的課題。

除了為將來的研究提供新線索,此發現尚有多重意義。現今部分殺蟲劑正是透過抑制害蟲體內的倍半萜類激素而收效。同理,我們或可藉控制水母身上同類激素,防止其數量爆發式增長。

許教授等人亦解答了一個在學界爭論逾廿年的問題。包括人類在內的兩側對稱動物有三個胚層——由皮膚、神經系統等組成的外胚層、肌肉在內的中胚層,以及由消化道等構成的內胚層。反觀刺胞動物,其身軀只有內外胚層。兩側對稱動物之所以發展出三重胚層,是因為牠們體內有一種名為同源框的基因,但奇怪的是,學者在刺胞動物身上亦發現同源框。前者的同源框DNA序列保留度甚高,也就是說它們歷盡物種多次演化,存留至今。後者的同源框有點相似,但序列出現異化,令人懷疑它們是隨刺胞動物獨自演進而流傳下來,源頭與兩側對稱動物的有別。許教授與團隊檢視水母的基因組,確見與兩側對稱動物匹配的同源框;兩者的差異,就在其演化路線。究其根源,兩側對稱動物與刺胞動物其實同出於一個活於六億年前的物種,而這位共同祖先身上,早已有着這些對發育至關重要的基因。

基因組還為兩個牽涉小RNA及線粒體基因組的問題帶來啓示,我們就把它們留待一眾生物學家咀嚼。一如世間所有學問,許教授等人的研究在帶來答案的同時,激發了更多的疑問。看到這片天地的遼闊,許教授自是躍躍欲試。惟願他無論研察何等生物、探究甚麼難題,中大都能助一臂之力,好讓他如波底蝶,隨意到天涯。

許教授與其團隊。左起:黃怡瑩、葉浩然、屈哲、莊子喬、李宜褰、李凱婷、蘇瑋樂、許教授

中譯/jasonyuen@cuhkcontents

本文出自中大網頁(2020年9月)

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許浩霖 水母 基因組學 研究 生命科學學院