天黑后它们开始在你脸上交配,想用灭绝换取与人类永久共生

科研圈 2022-06-24 18:08

这种动物在我们的皮肤上过着隐秘的生活。它们以人类分泌的皮脂为食,白天隐藏在毛囊深处,只在夜晚现身,在我们的前额、鼻翼和乳头上交配繁衍。一项新研究发现,它们的基因组不断丢失,正从外寄生虫向人类共生体过渡。为此付出的代价,是走上一条没有出口的演化绝路。


显微镜下的毛囊蠕形螨。图片来源:University of Reading


撰文 魏潇


大约 90% 的人类,皮肤中都有毛囊蠕形螨Demodex folliculorum的身影。这种仅有 0.3 毫米长的螨虫通常生活在毛囊深部漏斗状的部分中,在鼻翼、前额、耳道和乳头的数量最多。(另一种生活在人类皮肤中的皮脂蠕形螨生活在连接毛囊的皮脂腺中。)人类的皮脂分泌通常在 20 至 30 岁之间最旺盛,因此毛囊蠕形螨的密度也会在这一阶段达到顶峰。


毛囊蠕形螨从卵发育为成虫大约需要两周,根据过往研究推测其成虫寿命大约也为两周。假设这种微小生物的生命周期为三周,人类的一生将容纳 1200 多代毛囊蠕形螨与自己共存。这种动物大多数情况下是无害的,它与人类的关系引发了一群英国和阿根廷学者的兴趣。他们用除黑头剂从人的鼻部和前额收集了数百只毛囊蠕形螨,并对它进行了基因组测序。结果发现,毛囊蠕形螨拥有一个极小的基因组和蛋白质组,它们独特的分子细胞构成以及在我们皮肤中不为人知的生理特性,既是逐渐适应人类宿主、从寄生生物转变为外共生体的证据,也会将它们送上灭绝之路。



最小的基因组,最隐秘的生活


人类寄生虫通常都具备从一个人类个体扩散到其他个体的水平传播能力,但毛囊蠕形螨却几乎相反——它主要通过母亲传播给子女。乳头是这类螨虫的富集区域之一,母乳喂养期间这块区域的温度和湿度会加速螨虫从母亲到后代的转移。这种在人类亲子间垂直传播的模式意味着毛囊蠕形螨几乎不会在成年人之间转移,正是这种特性导致了它的遗传学退化。


毛囊蠕形螨拥有蛛形纲动物中最小的基因组和最少的细胞数。它的核基因组总长为 51.5 Mbp,仅包含 9707 个编码蛋白质的基因。在共聚焦显微镜下,研究者计算了毛囊蠕形螨的细胞数量。他们发现,和同样是节肢动物的黑腹果蝇相比,这种人螨的细胞数是前者的 500 分之一。


皮肤中的毛囊蠕形螨。图片来源:University of Reading


极简的基因组令毛囊蠕形螨丧失了很多同类物种中常见的功能性蛋白质。它缺少紫外线防护基因,无法将体内的组氨酸转化成可以吸收紫外线的尿刊酸,因此无法暴露在日光下。它还缺乏昼夜节律中和光照唤醒有关的 TIM 蛋白timeless 基因),这令它无法被阳光唤起,而是在白天睡觉。


更加巧合的是,毛囊蠕形螨还缺失一个褪黑素合成通路上的关键限速酶 AANAT,因此无法合成对自身移动和繁殖有促进作用的褪黑素。不过,这种激素存在于大部分人类组织中,并且会在一天中的黄昏时达到高峰,毛囊蠕形螨能够轻松探测到宿主产生的褪黑素,并将其据为已有。于是,这种不能见光的小生命通常会在夜晚我们睡着后,从鼻翼、前额甚至乳头的皮肤毛囊中苏醒,依赖人类褪黑素给自己注入“繁殖活力”,完成最重要的交配活动。


基因组退化带来的影响不仅体现在毛囊蠕形螨的昼夜活动节律,它们的身体结构也很特殊。研究者发现,毛囊蠕形螨丢失了 21 个与细胞形态和附肢发育有关的基因。它的附肢节段仅有 3 个单核肌肉细胞支撑,数量是同为蜱螨亚纲的其他物种的一半,这仅能让它以 12 毫米/小时的速度在人类皮肤上前进。


毛囊蠕形螨的附肢(B)及对应的肌肉细胞核(C)。图片来源:论文


对于节肢动物来说,发育完全的成体应该是体细胞数量最大的阶段,但毛囊蠕形螨在发育晚期(蛹)就达到了体细胞数量的顶峰,发育完成后体细胞的数量也随之降低。实际上,除去脑部,这种生物所有组织都出现了细胞数量的减少。它的肠道不算完整,缺乏一段有效的中肠,这不利于对食物进行更好的消化和吸收。但有趣的是,这项新研究推翻了此前毛囊蠕形螨没有肛门的看法。研究者在它身体后端的三分之一处观察到了一个连通其后肠的开口,这或将推翻人螨死亡后体内积累的废物会溢出至人类皮肤毛孔,从而引发感染的理论。


肛门(箭头所示) 图片来源:University of Reading



演化的死胡同


在研究者看来,毛囊蠕形螨越是适应人类,它们可能失去的基因就越多。在与 DNA 修复有关的基因中,这种螨虫丢失了 DNA 甲基转移酶、错配修复、核酸外切酶等 27 个相关基因,这些都成为了它遗传退化的证据,甚至会导致灭绝。


对于自由生活的非寄生生物而言,这种变化并不是致命的。一些细菌为了避免因为遗传退化而被其他细菌或真菌取代的命运,能够分裂为多个各不相同并且能够互相支持的新谱系。即便与其他细菌竞争失败,它们也还是能找到能够与之形成内共生体的宿主,在获得支持后得以延续。动植物细胞中的线粒体或叶绿体就是这一理论的典型案例。


但这条逃生之路并不适用于毛囊蠕形螨。它在宿主间的垂直式代际传播和孤立的生存模式,令种群没有机会从外部获得额外的基因,而有害突变会在近亲繁殖中逐渐积累,最终积重难返。人类与毛囊蠕形螨越来越温和的非致病关系一旦稳定形成,这种生活在我们毛囊中的生物就将不可避免地走上演化的死胡同,灭绝将成为它无可避免的宿命。


论文信息

【标题】Human Follicular Mites: Ectoparasites Becoming Symbionts

【作者】Gilbert Smith, Alejandro Manzano-Marín, Mariana Reyes-Prieto, Cátia Sofia Ribeiro Antunes, Victoria Ashworth, Obed Nanjul Goselle, Abdulhalem Abdulsamad A Jan, Andrés Moya, Amparo Latorre, M Alejandra Perotti, Henk R Braig

【期刊】Molecular Biology and Evolution

【日期】21 June 2022

【DOI】https://doi.org/10.1093/molbev/msac125

【摘要】Most humans carry mites in the hair follicles of their skin for their entire lives. Follicular mites are the only metazoans that continuously live on humans. We propose that Demodex folliculorum (Acari) represents a transitional stage from a host-injuring obligate parasite to an obligate symbiont. Here, we describe the profound impact of this transition on the genome and physiology of the mite. Genome sequencing revealed that the permanent host association of D. folliculorum led to an extensive genome reduction through relaxed selection and genetic drift, resulting in the smallest number of protein-coding genes yet identified among panarthropods. Confocal microscopy revealed that this gene loss coincided with an extreme reduction in the number of cells. Single uninucleate muscle cells are sufficient to operate each of the three segments that form each walking leg. While it has been assumed that the reduction of the cell number in parasites starts early in development, we identified a greater total number of cells in the last developmental stage (nymph) than in the terminal adult stage, suggesting that reduction starts at the adult or ultimate stage of development. This is the first evolutionary step in an arthropod species adopting a reductive, parasitic, or endosymbiotic lifestyle. Somatic nuclei show under-replication at the diploid stage. Novel eye structures or photoreceptors as well as a unique human host melatonin-guided day/night rhythm are proposed for the first time. The loss of DNA repair genes coupled with extreme endogamy might have set this mite species on an evolutionary dead-end trajectory.

【链接】https://academic.oup.com/mbe/article/39/6/msac125/6604544#362641621

其他参考来源:

https://www.eurekalert.org/news-releases/956390

https://www.theguardian.com/science/2022/jun/22/tiny-mites-demodex-folliculorum-parasites-gene-loss


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