2013年6月3日

腸與菌談千萬代的戀愛

動物的腸內,有其專屬細菌;不同種類的動物,腸內細菌影響免疫系統發育的形式亦不相同。

作者/程樹德(任教陽明大學微免所)

動物與細菌緊密互動,可見之於夏威夷短尾烏賊(hawaiian bobtail squid)身上,這種烏賊長成後,雖然只有三公分長,兩、三公克重,但在腹部的外套膜內有發光器官。牠發光時,能配合背部所受到照入水中之陽光亮度;當處在更深海水中的掠食動物,向水面上監視欲獵取食物時,便見不到小烏賊的完整輪廓,這種偽裝方式叫「反照明」(counterillumination)。這或許也是未來隱身衣服的操作方法,因它可讓穿著者隱藏在視覺背景之中,難以被察覺,而光是由發光菌所發出的。

烏賊與發光細菌的共生
剛從卵孵出來的小烏賊,其實體內並沒有細菌,故得從海水中吸引它演化上的老夥伴——費雪氏弧菌(Vibrio fischeri )來居住。首先小烏賊感應到環境中有胜肽多醣(是細菌細胞壁的主要成分)時,就由發光器進水口端的纖毛細胞分泌黏液,以黏附海水中的各種細菌,而費雪氏弧菌特別能群聚於此,進而進入發光器官。
發光器官並非善開大門,來者不拒,它用強勁水流,先篩選掉那些不能抗拒逆流的細菌,再分泌過氧化氫來殺害細菌,過氧化氫有強氧化能力,是動物細胞製造的活性氧品種(reactive oxygen species),唯獨費雪氏弧菌,不但有供游動的鞭毛,而且在它膜間空間有對付過氧化氫的觸酶(catalase),能分解之而保護細菌內部的細胞質,能通過這兩大考驗,細菌方能入住發光器的前腔。

在前腔內,烏賊供應細菌胺基酸及糖,讓它們長成大菌落,即可開始發光,故小烏賊孵出後一天,就能利用「反照明」,來保護自己。

稀奇的是,黎明時小烏賊會排出絕大多數的細菌,只保留約5%的細菌,這又是為何?為了發光,需要供應大量能量給細菌,而白天時小烏賊又潛伏沙中不動,故可能為節省能量,而定期丟棄細菌群體的絕大部分。

在這奇妙組合中,小烏賊用它的眼睛及眼外的感光小囊(extra-ocular vesicles)來接受並測量陽光及反照明光的強度,並調節反照明光的強度,使它在不同的陽光亮度及海水深度下,即能隱蔽身體輪廓。

采采蠅腸道中的幫手
前例中,動物似乎居上風,它能收縮發光器官,以排空其中的的細菌,但在采采蠅體內,它與細菌的合作就更密切了,采采蠅居住在非洲中部,介於撒哈拉沙漠及加拉沙里沙漠之間,吸動物血生存,並能傳播人類睡眠症及動物錐蟲病。

采采蠅身上有三種共生細菌,主要的一種叫做舌蠅維戈氏菌(Wigglesworthia glossinidia),屬名來自於發現者(Serap Aksog)要紀念剛逝去的英國昆蟲學家維戈渥斯(Vincent Brian Wigglesworth)。這維戈菌是腸內菌科的一種菌,居住在采采蠅的腸道,有點類似大腸桿菌,它長達千百萬年與昆蟲細胞共生,已經密不可分,因此這種含有細菌的細胞稱為細菌細胞(bacteriocyte)。
采采蠅,屬於雙翅目舌蠅屬。不同種類的采采
蠅嗜好的血源也不同,其中對血源選擇不專一
的種類能透過叮咬人、動物而散播傳染病。

由於長久住在昆蟲細胞內,維戈氏菌的染色體業已大量縮減,也即刪掉了非必要的部分,但仍能製造及分泌關鍵的維生素給昆蟲細胞,若蟲子缺乏這些維生素就沒法繁衍後代了。而這種細菌也無法離開其腸道獨立生存。

以上兩例談及動物與細菌不同程度的合作互利,在人類腸道,居住了高達一百兆隻細菌的大群體。它們如何貢獻給動物一些好處,以換取在這溫暖又充滿營養的環境生存呢?這是近來熱門的研究課題,本專欄以前也談過,提供維生素、轉化腸內酵素不能消化的多醣為小脂肪酸以供寄主吸收、刺激腸內免疫細胞分泌抗菌胜肽以排除別類細菌……等等,都是有證據的理論,但腸內菌是否因與某種動物長久共同演化,因而形成特殊關係?也即人是否有不同於別種動物的專屬菌種或菌株,這是個尚未解答的疑惑。

細菌—影響腸道發育的關鍵
史特拉千(David P. Strachan)觀察非工業化國家中,人民患過敏疾病及身體免疫病者,比工業國家中所佔之比例少很多;他提出假設——環境過於乾淨,是否剝奪了某類免疫的T細胞活躍的機會,反倒刺激另一類T細胞活躍,使得患上過敏及氣喘之機會提升?

若把這種「衛生假設」運用於腸道的免疫系統,則能進一步提問:是否專屬的腸內細菌,與這種動物腸道免疫系統發育及成熟有關係?

從1950年代開始,就有了「無菌動物」的研究,因胎兒經產道出生時,先接受母親的各種細菌,再吃入環境中由食物及水送入的細菌,故初生幼兒的內外很快就布滿了細菌,為了觀察細菌與動物的互動,將豬、小鼠、大鼠等胎兒直接從子宮內取出,放入完全無菌的箱子內培養,這就是無菌動物(germ-free animal, gnotobiotic animal)。

雖供以充分營養,無菌動物吸收某些養分能力差,腸的形態與蠕動性異常,小腸上的派耶氏斑(Peyer’s patch)較小;這斑是存在於小腸(迴腸)上皮層內的大型淋巴結,人體的派耶氏斑有數公分之長,可達30顆之多,內有B細胞及T細胞、巨噬細胞及樹枝狀細胞,乃腸道免疫功能的重要成分。

無菌動物生產抗體的漿細胞少、上皮層內淋巴細胞少,抗微生物胜肽及分泌型抗體(Ig A)之分泌都少,表示沒有了腸內菌與腸的互動,腸內免疫系統之發育可能缺陷甚多;當補投給無菌動物以正常腸內菌後,部分缺欠則能彌補回來。【更詳細的內容,請參閱第522期科學月刊】

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