电鳗电击下的基因传递：电渗透会在自然界中发生吗？

编者按：电鳗是地球上最大的发电生物，能够释放高达860伏特的电流，足以让机器运转起来。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编读到2023年12月初的一篇由日本名古屋大学研究人员发表的一项新研究，该研究发现，电鳗（electric eel）的电击居然能够改变小鱼幼体的基因。这个研究揭示的电鳗电力对小鱼幼体基因的深远影响，为生物基因传递领域带来了新的探索方向。为供全球环境治理兴趣人士参考，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编编译分享这则资讯如下，供读者参考。

电渗透法：电鳗带来基因转移实验

名古屋大学的研究小组在最新研究中发现，电鳗释放的电力竟然足以基因修改小鱼幼体，并在《PeerJ - Life and Environment》期刊上发布了他们的研究成果。研究小组由本多英一教授（Eiichi Hondo）和饭田篤夫助理教授（Atsuo Iida）领导。研究者们对电渗透法有了更深入的认识。

电渗透法是一种运用电场在细胞膜中形成临时孔的技术，使得分子如DNA或蛋白质能够进入目标细胞。这种技术在实验室中常见，但研究人员开始思考：电流在自然环境中是否也会影响附近生物的细胞呢？

为验证这一猜想，研究小组在实验室中将年幼的斑马鱼（zebrafish）暴露在带有在光下发光标记的DNA溶液中，以观察它们是否吸收了DNA。接着，他们引入了电鳗，并促使其咬住一个饲料器释放电流。研究者们观察到部分胚胎呈现绿色荧光的斑马鱼，与未受电刺激的对照组相比，显示出明显的差异。这表明，电鳗EOD可能作为一种电渗透装置，促进DNA向细胞内的转移。也即是说，电鳗的EOD具有将DNA转移到真核细胞中的潜力。

上图：斑马鱼幼体的DNA已被电鳗释放的电流修改（以绿色显示）。（斑马鱼和突显的GFP图像重叠显示）。图片来源：Shintaro Sakaki，名古屋大学官网

根据饭田的说法，电渗透法通常被认为是只在实验室中发现的一种过程，但他开始怀疑这一看法。他表示：“我认为电渗透可能会在自然界中发生。”

“我意识到亚马逊河中的电鳗可能会充当电源，周围生活的生物可能会充当接收细胞，而释放到水中的环境DNA片段将成为外源基因，因电放电引起周围生物的基因重组。”

这组研究人员的实验证明，有5%的幼体带有显示基因转移的标记。饭田说：“这表明电鳗的放电促进了对细胞的基因转移，尽管电鳗的脉冲形状和电压不稳定，与通常用于电渗透法的机器相比有所不同。”“电鳗和其他发电生物可能会在自然界中影响基因修饰。”

其他研究也观察到了类似的现象，例如自然产生的电场，如雷电，影响线虫和土壤细菌。饭田对电场在活生物中的研究前景感到非常兴奋。他认为这些效应超越了传统智慧的理解。他说：“我相信基于这种‘意外’和‘超越传统思维’的尝试，将会为人类揭示生物体的复杂性，并在未来引发突破。”

电渗透法——自然中也有？

电渗透法（electroporation）也称为电透化，是一种分子生物学中常用的基因传递技术。该技术通过在细胞膜中应用电场，形成暂时性的孔道，使得外源分子（如DNA、化学物质、药物、电极阵列）或蛋白质能够穿过细胞膜，进入目标细胞。电渗透法常常用于实验室条件下，包括细菌、培养细胞或多细胞生物。这一方法的核心原理是通过电场的作用，使得细胞膜短暂地变得通透，从而实现外源分子的引入。

在基因工程和生物医学研究中，电渗透法被广泛应用于将基因序列引入目标细胞，从而实现基因编辑、转染或转基因等操作。电渗透法的优势在于其操作简便、高效，并且可以用于多种细胞类型。但，一般来讲，电渗透法主要用于实验室环境，而在自然条件下并不常见。所以上面这个研究，被认为是颇具意义、突破性的。

观察：动物实验的伦理审查

在关于对实验动物的合理对待和实验条件的伦理审查方面，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到论文中的伦理声明，提到这项研究在名古屋大学动物实验伦理审查委员会的认可下获得了通过（批准号A210748-002）。

因为这个实验涉及到了活体动物，该研究团队表示遵循着机构的指南，以确保动物在实验中得到妥善对待。在实验过程中，动物们经过悉心的麻醉处理，使用了0.01%的三氯安定，以确保它们处于无痛苦状态。这一过程严格按照伦理审查的规定进行，旨在尽可能减轻动物在实验中的不适。此外，为了确保实验的科学性和动物的福祉，研究团队对于实验中动物的健康状况保持高度关注，在极端情况下，如果动物的健康状况急剧恶化，研究人员会以0.01%三氯安定的冰麻醉为手段对其进行安乐死，以终结其可能的痛苦。

【思考题】学而时习之

Q1: 电鳗电击引发基因转移的机制，是否可以为当前的基因治疗和基因编辑技术提供启示？另外，这个研究是否可能拓展我们对于生物基因交流的理解，为未来的新型医学和农业技术创新也提供一些思路？

Q2：在电鳗电击引发基因变化的研究中，是否有可能发现一种新的生物信息传递途径，从而为未来生命科学领域的研究和创新提供突破性的想法？

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研究来源 | 日本名古屋大学

编译 | 王芊佳
审核 | Sara
排版 | 绿叶

【参考资料】

全文参见：

Sakaki S, Ito R, Abe H, Kinoshita M, Hondo E, Iida A. 2023. Electric organ discharge from electric eel facilitates DNA transformation into teleost larvae in laboratory conditions. PeerJ 11:e16596 https://doi.org/10.7717/peerj.16596

https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result-en/2023/12/20231207-01.html