Only Perception: 研究：質子作用如同線蟲的神經傳導素

2008-01-15

研究：質子作用如同線蟲的神經傳導素

（原標題是：以質子為動力的排泄）
Proton-powered pooping
http://www.physorg.com/news119097924.html

January 09, 2008

"只有相對較少數的分子能作為神經傳導素，觸發細胞當中的電性改變。近二十年來質子（protons）是這一組當中的唯一新成員，" 生物學教授 Erik Jorgensen 表示，Utah 大學腦研究所的科學主管，同時也是 1/11 當期 Cell 期刊上之研究的資深作者。

傳統的神經傳導素，例如血清素、多巴胺與 GABA 是由許多原子所構成的分子，不過這項新研究卻揭露了一項驚喜：質子 -- 單一個氫原子在剝除其電子後的產物 -- 透過一種蛋白質，從線蟲的腸道中汲出，並接著與鄰近肌肉的受體蛋白結合，讓肌肉收縮，故此蟲才能排便。

研究者不只證明質子的作用如同神經傳導素，他們還鑑別在線蟲（round worms）身上涉入此過程的基因與蛋白質。這種線蟲約 1mm 長，又名 nematodes。

先前研究指出人與鼠的腦部也有質子幫浦與受體以便在細胞間移動質子。這項新研究則興起了一種可能性：這些質子或許能在腦中傳遞神經訊號， Jorgensen 與該研究的共同作者 Wayne Davis 說，生物學研究助教授。

"這是我們第一次發現質子作用如同傳導素，" Davis 說。"同樣的程序也可能發生在人身上。質子泵出現在腸細胞以及人類與老鼠的腦中。某些幫浦被認為替腸道製造酸以消化食物。但為何腦中會出現質子幫浦？"

Jorgensen 補充道："缺乏質子受體的老鼠無法學習。或許質子泵與受體為學習所需，" 也因此質子在腦中的作用如同神經傳導素。

Utah 畢業生 Asim Beg（現於 Columbia 大學唸書）與 Jorgensen, Davis、畢業生 Paola Nix 與博士後研究員 Glen Ernstrom 進行此研究。

一個來自於便秘蟲的發現

原子是由帶正電荷的質子與中性的中子構成核，由帶負電荷電子所環繞。所以質子名列最小的物質成份之間。

先前已確認神經傳導素，如血清素（因其避免憂鬱症的角色而廣為所知）與多巴胺（涉及古柯鹼與其他藥物的成癮）比質子要大上 100 倍。這讓質子成為 "世界最小的傳導素，" Jorgensen，他也是 Howard Hughes 醫學研究所的研究員。

酸之所以會腐蝕（burn）因為它們包含高濃度的質子，它們已知能幫助胃部消化食物。

這項新研究證明，至少在某些情況下，質子也許被細胞用來溝通。"一般來說你會想質子濃度增加是用來消化食物，" Davis 說。"現在我們瞧見細胞用這些質子來進行溝通。質子的作用就像是種語言，細胞用來彼此對話。"

當研究開始使，沒人想過會確認一種新的神經傳導素。這些研究者反而是要了解蟲如何排便。為什麼？ "吃、移動、性行為與排便都是所有動物會做的事，" Davis 說。

線蟲，或稱秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans），擁有約 1000 個細胞，是種被世界各地研究者所研究的簡單動物。線蟲具有許多相同的組織 -- 神經、肌肉與腸 -- 那都可在人身上發現，而且絕大部份的相同基因，讓這種蟲成為研究人類生物學的一種模型。

線蟲的排便出乎意料的複雜。這種動物的肌肉每 50 秒會收縮，這導致腸的內容物被排出。50 秒的週期是生物時鐘的例子之一，那如同規律化的醒覺--睡眠週期與其他動物行為。

"我們對於個別測試（排便）時鐘功能所需成份感到興趣，" Nix 說。"為了辦到這件事，我們尋找影響這個時鐘變化的突變。"

藉由揭露改變蟲子 DNA 的化學物質，研究者發現突變的蟲無法排便，或著做這件事會遇到麻煩。"這種蟲不斷的吃，所以沒有正常排便，牠們會嚴重便秘，" Nix。

在線蟲的尾端，肌肉圍繞在管狀腸道四周，而且在腸道與環繞肌肉四周之間有充滿液體的空間。肌肉收縮以幫助蟲排便。研究者認出二種不同的遺傳變異，能阻止這樣的收縮。

蛋白質與質子推進排便程序

第一種基因，名叫 pbo-4（代表 posterior body contraction，體後收縮），生展一種蛋白質，那能夠從腸道中泵出質子，作用 "如同一扇旋轉門，當質子離開（腸道）進入十分接近環繞肌肉且充滿液體的空間中時，在此鈉被允許待在「腸道」之中，" Davis 說。

第二種基因，pbo-5，在環繞腸道四周的肌肉製造一種受體蛋白。當質子從腸道釋出時，它們會與受體蛋白結合。

"受體作用如同耳朵，能允許肌肉「聆聽」質子是否存在，" Beg 說。當質子與其結合時，受體開啟，在肌肉細胞上形成一個洞，那允許大量的離子，如鈉流進。離子則讓肌肉收縮。

研究者會知道質子是從腸道釋出，是因為他們能透過顯微鏡觀察它們的作用。

他們養出具有綠螢光蛋白的蟲，當許多質子出現時，那會喪失其顏色。具有綠色蛋白在腸道與周圍肌肉間，充滿液體空間當中的成蟲 -- 這種空間 Ernstrom 說「比頭髮寬度還要小上約 1000 倍」。

科學家之所以能證明質子從腸壁泵出，並到達周圍肌肉是因為，在顯微鏡下，充滿液體的空間變得比較不綠。在缺乏質子幫浦的突變蟲中，綠色依然不會改變，證明質子並沒有從腸釋出到空間中。

在下個實驗中，研究者將質子添加到變種線蟲，那缺乏質子幫浦，腸道與周圍肌肉的之間充滿液體的空間中。所添加的質子作用如同神經傳導素，能為從腸道至周圍肌肉的收縮攜帶訊號。

"為了證明是質子觸發這種收縮，我們想要讓我們自己供應質子，" Davis 說。 "一根裝滿質子的細微尖針，被用來將質子注入肌肉與腸的空間中。我們可繞過腸子，並騙肌肉去思考，腸道正在釋出質子，而肌肉收縮了。"

※ 相關報導：

＊ Protons Act as a Transmitter for Muscle Contraction in C. elegans
http://www.cell.com/content/article/abstract?uid=PIIS0092867407014791