春天到了，万物复苏了，又到了昆虫们交……交相飞舞的季节。从蝴蝶柔软的腹部到犀金龟坚硬的外壳，哪里有昆虫，哪里就有几丁质（Chitin）的身影。
甲虫翅膀中就含有几丁质。图片来源：zituba/ wikipedia.org
这种多糖类物质又叫甲壳素，是节肢动物外骨骼（如虾壳）的主要成分，也在医药耗材中应用广泛。长久以来，人们一直相信只有昆虫这样的无脊椎动物才有几丁质。然而，这种观点将要被改写了——脊椎动物也能产生几丁质！美国贝纳罗亚研究所（Benaroya Research Institute）与哈佛大学的研究人员在鱼类和两栖类的基因组里发现了编码几丁质合成酶的基因，并检测到了几丁质的存在。这项新发现近日在线发表于《当代生物学》上。
蓦然回首，基因却在数据阑珊处
“这是个非常偶然的发现。”论文的通讯作者克里斯•雨宫（Chris Amemiya）告诉果壳网科学人，早在上世纪六七十年代，科学家们就开始研究鱼类和两栖类的遗传，并将它们作为脊椎动物的模式生物，希望借它们增进对人类自己的理解。
“2001年，惠康基金会桑格研究院开始斑马鱼基因组的测序工作。”雨宫说“在识别和注解基因时，人们主要将斑马鱼的序列和所有已知的哺乳动物基因序列（小鼠、人类）比对，以此进行标注。”然而，由于当时哺乳动物中并没有已知的几丁质合成酶基因，雨宫等人现在发现的基因，在那时并未被美国国立生物技术信息中心（NCBI）标注，只能带上“未知基因”的标签，在数据库里沉睡了多年。
直到雨宫和同事们找到了它。
“论文的另一作者乔尔•索恩（Joel Sohn）先前一直在研究几丁质在枪乌贼羽状壳（gladius）。”雨宫回忆说。羽状壳是软体动物外骨骼内化的残余，是一个高度几丁质化的结构。当乔尔在无脊椎动物中搜寻几丁质合成酶的基因时，无意中看到一篇论文，文中推测头索动物文昌鱼（lancelet）中有几丁质合成酶基因。
头索动物和脊椎动物同属脊索动物门。如果文昌鱼中有几丁质合成酶基因，那么“这暗示着，如果我们走运，脊椎动物的基因组里可能也含有几丁质合成酶的基因。”雨宫说。研究者按图索骥，利用文昌鱼的这段几丁质合成酶基因做参考，果然在斑马鱼、爪蟾和墨西哥钝口螈的基因组中都找到了相似的序列。
不过，仅发现基因可不能算数。一个基因要真正发挥功能，得先等自己的信息被“转录”成RNA——通常是信使RNA——来给细胞里其它的“零件”参阅加工才行。只有找到基因，检测到RNA，再找到对应的几丁质合成酶，以及最终合成出的几丁质，我们才能确定这个基因在正常工作。
斑马鱼幼鱼体内的几丁质探针（红色）揭示几丁质的分布。图片来源：研究论文
好事多磨，皇天不负有心人
研究者们随后在斑马鱼的胚胎中检测到了相应的RNA，然而在斑马鱼中寻找几丁质的过程，却没有那么顺利。雨宫的实验室和哈佛韦斯仿生工程研究所的哈维尔·费尔南德斯（Javier Fernandez，目前已转到新加坡科技设计大学工作）在试图提取几丁质时被“坑”了。
“费尔南德斯和索恩的化学纯化工作，被另一份在线发表的报告牵累了。”雨宫告诉科学人，“那份报告表明，用常规的几丁质提取方法就能在鱼鳞中获得可观的几丁质。在数次重复失败后，我们意识到这份报告很具误导性——如果不能称之为明摆着的谬误的话。”
最终，研究者只好另辟蹊径。雨宫说：“最终，我们推断鱼类和两栖类中的几丁质含量非常低，这意味着费尔南德斯必须开发出一套十分严苛的方法来提取鱼鳞中的微量几丁质。”经过艰难努力，团队最终从鱼鳞中提出了几丁质，而提取物的红外色谱分析结果和无脊椎动物的几丁质相差不大。
后来，他们又在墨西哥钝口螈的身上“探测”到了几丁质，这才最终确证它们都能自己合成几丁质。“因为它在脊椎动物中的含量太少了，传统的提取方式又不奏效，所以之前没有在脊椎动物中发现它一点都不奇怪。”雨宫补充道。
墨西哥钝口螈前肢中的几丁质探针（红色）。图片来源：研究论文
“要是以后人们发现大部分鱼类，甚至是大部分两栖类，都有几丁质，我们一点都不会吃惊。”雨宫坦言。他告诉科学人：“除了斑马鱼和鲑鱼外，我们还能从黑线鳕和鲤鱼的鱼鳞中提取出几丁质。此外，我们的论文还表明，从基因序列相似性来看，许多种类的鱼都有这段基因，其中甚至还有在演化上很早就分支出去的物种。”
这些发现，一举打破了“脊椎动物不产生几丁质”的旧认识。
功能未知，未来研究任重道远
不过，尽管这一重大发现革新了人们对几丁质的认识，研究者却依然不知道它们在这些鱼和两栖动物生长发育和各种生命活动中的作用，很有必要深入了解这些方面。他们这个团队也将就此继续展开研究。
“几丁质在脊椎动物中的作用目前尚不消楚，但我们已根据它在无脊椎动物中的作用作出了一些假设。”雨宫向科学人介绍道，“例如，在夏威夷耳乌贼（Euprymna scolopes）里，几丁质就存在于它们的血细胞中：这种细胞会分泌几丁质来吸引共生的荧光细菌，让它们的发光器得以发光。众多发光鱼类中会不会具有类似的系统？”
此外，“我们也在一些间质组织中发现了几丁质，这暗示着它可能参与了组织修复或再生。当然，我们也有可能发现它在脊椎动物中更多的新奇作用。我们感觉自己当下只是触及了皮毛而已。”他说，“有太多的问题要回答了，我们在未来很长一段时间内都将致力于此。”
“鱼类也会产生几丁质”也势必会引起众多产业领域的关注。“一些渔民会用几丁质合成酶抑制剂来除去海蝨等寄生虫。而几丁质也存在于鱼类中，可能对鱼儿的发育和功能都很重要。”雨宫指出，“这就对该类除虫剂的继续使用提出了问题。这类化合物已经作为除虫剂在农林业中使用了好几年了。”
而在人类应用方面，“几丁质被用于制造生物医学器件，如缝合线、止血绷带、药物胶囊，以及组织工程中的支架。因此，对几丁质在体内（in vivo）利用情况的了解可能有助于这些应用的改良。”雨宫说。（编辑：Calo）
参考文献：
- Tang et al., Chitin Is Endogenously Produced in Vertebrates, Current Biology (2015), http://dx.doi.org/10.1016/ j.cub.2015.01.058