寄生性锥虫拥有自然界唯一的锁子甲DNA

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

那些带给我们无尽痛苦的生物，也可能是令人惊叹的艺术品，经过进化雕琢成优雅而致命的组合。 锥虫就是如此，这些原生生物我上次讨论过，它们是恰加斯病的病原体，它们也导致非洲的昏睡病。但是，那些小包装内的东西也可能令人惊叹。

这是一张布氏锥虫（T. brucei）的扫描电子显微照片，它是昏睡病的病原体。

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“布氏锥虫前环鞭毛体SEM”作者：Zephyris - 自己的作品。根据CC BY-SA 3.0许可，通过维基共享资源。

很漂亮，不是吗？请注意侧面安装的鞭毛，或尾巴，被人工着色为紫色。整个生物体长约20-50微米，约为典型细菌大小的20-50倍。尾巴通常折叠成表面膜的襟翼，鞭毛和折叠的膜共同作用，推动生物体在它所生活的血液中移动。作为一种比水稠的物质（从微生物的角度来看，水本身非常稠），血液可能很难穿透。

以下是波状膜和尾巴组合在感染宠物的锥虫中的样子。淡蓝色的斑点是血细胞。

“伊氏锥虫-大鼠血液-吉姆萨染色”作者：Alan R Walker - 自己的作品。根据CC BY-SA 3.0许可，通过维基共享资源。

在这里，您可以看到锥虫运动时，细胞整个后端产生的摇摆效应。 这是克氏锥虫（Trypanosoma cruzi），我本周早些时候写过的恰加斯病的病原体。在中心右侧大约 :12 的位置，您可以看到其中一个锥虫减速，并刚好看到它的鞭毛在身体外部滑动。

以下是非洲昏睡病病原体布氏锥虫（T. brucei）的灵巧的，鳗鱼般的运动。

但锥虫究竟是什么？它不是细菌，也不是病毒，甚至不是动物。 锥虫是原生生物，它们的细胞中像植物、动物和真菌一样有细胞核和细胞器（与细菌和古生菌不同），但通常只有一到几个细胞那么大。如您在上面所见，锥虫是单细胞，并有一条尾巴。除了恰加斯病和昏睡病之外，它们还导致由叮咬沙蝇传播的难看的溃疡性皮肤病利什曼病。

锥虫属于一组称为动质体的生物，它们的名称来源于其鞭毛根部的称为动质体的结构。地球上没有其他类似的东西。

“锥虫”作者：Richard Fox - http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/File:Trypanosomes.jpg. 根据CC0许可，通过维基共享资源。

在像克氏锥虫这样的锥虫中，动质体位于细胞的单个线粒体中，在尾巴的根部，可能在那里为游泳提供即时能量。线粒体为细胞提供动力，是很久以前被吞噬但未被消化的细菌的后代。因此，它们仍然拥有自己的（大幅减少的）DNA，与储存在细胞核中的细胞自身 DNA 分开。

据我所知，动质体是地球上唯一已知的DNA网络。这个星球上的大多数DNA要么以长而简单的链的形式存在（通常像我们细胞中那样错综复杂地扭曲和折叠，但仍然基本上是长链），要么以简单的圆圈形式存在（也经常以扭曲的形式存储），这是细菌保存DNA的方式。相比之下，动质体是一个巨大的互锁圆盘，由 5,000 个线粒体 DNA 微环组成，这些微环像锁子甲中的环一样，与大约三个相邻的圆环物理连接。

您可以在下面标记为 I 的图像中看到这一点，该图像想象了如果它们全部平铺开来会是什么样子。在这个网格中嵌入了25个较大的 DNA 大环（未显示），它们本身以某种尚未确定的复杂模式链接。在细胞中，微环链中的链接垂直拉伸成单层圆盘，如您在下面标记为 II 的图像中所见，该图像显示了圆盘的横截面。

来自Lukeš et al., 2002 的图 1B。 点击图片查看来源。

这是一张动质体边缘的照片，显示了箭头尖端的单个微环。作为参考，该比例尺为 500 纳米。

动质体的单个DNA微环。箭头指示一个清晰可见的单个圆圈。来自Lukeš et al., 2002 的图 1A。 点击图片查看来源。

以下是圆盘在生物体本身的横截面中的样子。箭头指向两张照片中的动质体。左边是Crithidia fasiculata，它感染蚊子，右边是Trypanosoma avium，它感染鸟类。右边的圆盘非常厚，因为该物种的微环特别长。在这两种情况下，您都可以看到动质体左侧的鞭毛底部（称为基体）。在插图中，细胞中的所有 DNA 都被荧光标记。细胞核被标记为 n；另一个亮点是充满 DNA 的动质体。请注意它发光有多么明亮。

来自Lukeš et al., 2002 的图 2A 和 B。 点击图片查看来源。

只有大环包含制造通常线粒体蛋白质的指令，但它们是经过编码的。数千个微环的内容各不相同，它们是使大环能够被正确读取并转化为蛋白质和制造蛋白质的分子所必需的密钥/编辑设备。如果您认为这一切都复杂得令人难以置信，现在请尝试想象细胞如何设法将这个庞大的互锁网络复制并正确地分类到新的子细胞中。然而，它确实会发生，任何患有恰加斯病或昏睡病的人都可以告诉您。

并非每个动质体都像我所展示的锁子甲环网络那样复杂，并且在相关的生物体中存在清晰的进化中间体 - 例如许多未连接的环，或仅与一两个伙伴连接的环。但据我所知，目前还没有人确切知道微环解码系统和锁子甲网络的目的，或者是什么力量驱动了它的进化。但是，有很多猜测和想法，如果您对这个结构的目的或其相当迷人的复制机制（其中一些机制与动质体本身一样令人惊叹）感兴趣，我鼓励您深入研究下面的生化细节。

参考文献

Lukes J., J. Votypka, A. Zikova, R. Benne & P. T. Englund (2002). 动质体DNA网络：一种不可能的结构的进化, 真核细胞, 1 (4) 495-502. DOI: http://dx.doi.org/10.1128/ec.1.4.495-502.2002

Shapiro T.A. (1995). 动质体DNA的结构和复制, 微生物学年度评论, 49 (1) 117-143. DOI: http://dx.doi.org/10.1146/annurev.micro.49.1.117