生命八卦 | 铁之战
2015/1/5 三联生活周刊

     俗话说,兵马未动,粮草先行。古代两军对垒,比的往往不是战斗力,而是谁的粮草多。同样的思路也可以用在人身上。现代医学出现之前,人类最主要的死因是传染病,微生物(尤其是病菌)是人类最凶恶的敌人。我们的祖先能否健康地活到成年,很大程度上取决于他/她能否扛得住病菌的侵袭。人体对抗病菌的一个有效手段就是保护粮食,希望通过这个办法把病菌饿死。不过,这里所说的粮食不是葡萄糖或者蛋白质,而是铁元素。

     铁是生命必需的微量元素,没有铁,很多生理过程都没办法进行。人身体里的铁元素大都藏在细胞里,病菌是吃不到的。但是铁离子需要通过血液循环系统运送到组织中去,病菌便找到了可乘之机。这就好比评书中常见的截粮车桥段,这是病菌们获得铁元素的唯一机会。

     科学家们早就知道,人体内负责运输铁离子的“运粮车”名叫转铁蛋白(Transferrin),这种蛋白质在pH中性的环境下能够将铁离子牢牢抓住,就好像粮食被装在袋子里一样。一旦到达指定地点,转铁蛋白就会在细胞表面受体的作用下被吞进细胞内,此时铁离子周围环境的pH值迅速降低,铁离子和转铁蛋白之间凝聚力骤然下降,铁离子被释放出来,就好像粮袋被扎破了一样。

     经过多年的进化,病菌们找到了破解之法。研究发现,一些常见病菌,比如导致脑膜炎、淋病和败血症的病菌进入人体后,便会迅速合成一种“转铁蛋白结合蛋白”(Transferrin Binding Protein,以下简称TbpA)。顾名思义,这种蛋白质可以和转铁蛋白发生特异性结合,从对方那里把铁离子抢过来。一旦有了充足的铁,病菌就会迅速繁殖,直到把宿主杀死为止。一个人要想活命,就必须改变转铁蛋白的三维结构,使之不那么容易地被对方抓住。病菌吃不到足够的铁,就会被饿死。

     当然了,病菌和人体都没有那么聪明,上述过程全都是被动地发生的,也就是说,一方发生随机突变,其中最好的突变体活了下来,把对手逼到绝境,后者再通过随机突变,“进化”出应对之法。

     这个大致过程科学家们早在40年前就知道了,但因为基因突变不可能被化石保留下来,双方之间每一次较量的细节都丢失了。美国犹他大学人类遗传学系教授尼尔斯·埃尔德(Nels Elde)和同事们利用最先进的基因分析法,分析了21种灵长类动物的转铁蛋白DNA序列,在电脑上绘出了转铁蛋白基因序列的进化树。之后,研究人员又用类似方法分析几十种相应病菌的TbpA基因序列,与前者比较,终于搞清了转铁蛋白和TbpA这对冤家在过去4000万年里的对抗史。

     埃尔德教授将研究结果写成论文,发表在2014年12月12日出版的《科学》(Science)期刊上。这篇论文详细描述了过去4000万年里TbpA基因的每一次突变,以及转铁蛋白的每一次应变,如果应变来得不够及时,人类就不存在了。基因组就像一本历史书,把这段惊心动魄的历史记录了下来,呈现在我们面前。

     “人体和病菌之间的这场铁之战很大程度上决定了人类这个物种的兴亡。”这篇论文的第一作者,埃尔德实验室的博士生马修·巴博尔(Matthew Barber)对记者说,“我们之所以活到今天,与这场战役的胜负有很大的关系。”

     这场战役还远未结束。据统计,如今地球上大约有四分之一的人体内带有一种突变型转铁蛋白,这一突变让某些常见病菌不那么容易抢走铁离子,这就相当于增加了这些人抵抗细菌感染的能力。科学家们把这一现象称为“营养免疫”(Nutritional Immunity),这是目前一个很热门的新兴领域。如果科学家们掌握了营养免疫的秘密,就有可能发明出一种新的抗感染的方法,帮助人类抵抗病菌的侵袭。

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