鑽石舞台

說起黏液，你的第一反應或許是「太噁心了！」從蛞蝓身上的黏液，到我們嘴裡的唾液，許多滑溜溜的體液中都含有黏液。

雖然很多時候我們對它嗤之以鼻，但實際上，黏液具有驚人的生物學功能。黏液可以潤滑並保護組織表面，一些有益的微生物已經進化到生活在黏液包裹的表面上，而它同時也可以作為一種保護屏障，屏蔽病原體入侵，幫助我們抵禦疾病。

黏液那種「黏糊糊」的感覺主要來自黏蛋白。這類分子具有多種功能，但作為一個家族，它們在黏液中發揮着重要作用。比如，第一個被純化並被生化表徵的黏蛋白來自唾液腺，唾液中的黏蛋白可以保護牙齒不被蛀壞，有助於平衡口腔中的微生物群，還會讓食物變得順滑，以便我們能夠吞下。

那麼，這種生物學奇蹟是如何進化的呢？

一項關於黏蛋白的新研究認為，在哺乳動物中，那個問題的答案是多次進化，而且往往以一種出乎意料的方式。論文已於近日發表在《科學進展》上。

黏液化事件

在過去數十年間，團隊一直在研究唾液中的黏蛋白。他們謙虛地將這項研究成果歸結於「走運」。他們在進行唾液研究時，敏銳地發現了一些有趣的、很酷的東西，並決定繼續追蹤下去。

團隊注意到，人類有一種叫作MUC7的小型唾液黏蛋白，它在小鼠體內並不存在。不過，齧齒動物實則有一種大小相當的唾液黏蛋白，被稱為MUC10。他們非常好奇，從進化的角度來看，這兩種蛋白質是否存在關聯。

一些哺乳動物物種中新的和已知的黏蛋白基因。（圖／Pajic, P. et al., 2022）

答案是否定的。但是，進一步的研究發現了意外之喜。

雖然MUC10似乎與MUC7沒有關係，但在人類眼淚中發現的一種名為PROL1的蛋白質，卻與MUC10的部分結構相同。PROL1看上去很像MUC10，但沒有使MUC10成為黏蛋白的那種關鍵的有糖衣的洗瓶刷狀重複序列。

研究人員推測，眼淚中的那種基因以某種方式最終被重新利用了。它獲得了重複序列，被賦予了黏蛋白的功能，並且如今在小鼠和大鼠的唾液中大量表達。

他們進而想知道，其他黏蛋白是否也可能以同樣的方式形成。他們開始調查，結果發現了這一現象的多個例子。

儘管許多黏蛋白在各種哺乳動物群體中具有共同祖先，但通過對49個哺乳動物物種的黏蛋白基因進行比較，科學家發現了15個實例，在這些例子中，新的黏蛋白似乎是通過一個將非黏蛋白轉化為黏蛋白的添加過程進化而來的。

他們提出，所有這些「黏液化」事件，都是從一種不是黏蛋白的蛋白質開始的。在某個時候，進化在這個非黏蛋白的基礎上增加了一個新的部分。這個部分包含由氨基酸作為基本構建組成的短鏈，這些氨基酸被糖分子修飾。

隨着時間的推移，這個新的區域被複製，多個副本被添加到蛋白質上，讓它進一步變長，並最終成了黏蛋白。這些被稱為重複的倍增區域，正是黏蛋白功能的關鍵。

研究人員在黏蛋白中看到的重複被稱為PTS重複，因為它們含有大量的脯氨酸（P）、蘇氨酸（T）和絲氨酸（S），它們幫助黏蛋白發揮了重要的生物功能。覆蓋這些部分的糖，就像洗瓶刷的刷毛一樣向外突出，它們賦予了黏蛋白那種黏稠的特性，對這些蛋白質執行的許多重要任務至關重要。

這是人們第一次發現，蛋白質功能還能以這樣的方式進化。一個不是黏蛋白的蛋白質，僅僅通過獲得重複序列，就變成了黏蛋白。

黏蛋白化的進化裝配線示意。（圖／Pajic, P. et al., 2022）

這是進化製造黏液的一個重要方式。他們還注意到，這似乎相當保守，因為研究集中在幾十個哺乳動物物種的基因組的一個區域。也許可以這麼說，它似乎是一種「不錯」的技巧，在漫長的歷史中在哺乳動物身上一次又一次地出現。

驚人的生命特徵

科學家相信，黏液是一種驚人的生命特徵。他們依舊很好奇，同樣的進化機制是否也驅動了蛞蝓、黏鰻和其他動物的黏液的形成。要找到答案還需要更多的研究。

同時，他們仍在追尋的問題是，新的基因功能是如何進化的。團隊正在通過提供一種新機制的證據來補充這一論述，也就是胡搜，在一個基因內獲得重複序列，會帶來一種新的功能。

這類研究可能具有更廣泛的意義，讓我們既可以理解適應性進化，也能解釋某些致病的變體。如果這些黏蛋白在不同時間、在不同的物種中不斷地從非黏蛋白進化而來，這表明一定存在某種適應性壓力，讓這種過程變得具有優勢。

從另一個角度來說，如果這種機制「脫軌」了，也就是發生得太多了，或者發生在了錯誤的組織中，它就有可能導致疾病，比如某些癌症或者黏膜疾病。