绝大部分的脊椎动物（vertebrate）都是好氧生物，缺氧时顶多撑几分钟就挂了；有些鱼（如鲤鱼Cyprinus carpio）可以撑几小时。但有极少数的硬骨鱼，可以熬好几个月！它们发展出这个能力，主要为了要熬过冬天的时候湖泊冰封缺氧的问题。到底它们是如何能在缺氧的状况下活好几个月呢？
让我们先来了解一下，一般的脊椎动物缺氧时发生什么事。
一般的脊椎动物（如你、我），我们产生能量的途径主要是依靠糖解作用（glycolysis）先把葡萄糖等小分子分解为丙酮酸（pyruvate），再把丙酮酸运入粒线体（mitochondria ）；在粒线体中，丙酮酸会先被丙酮酸脱氢酶复合体（PDH，pyruvate dehydrogenase complex）转换为乙醯辅酶A（acetyl-CoA），再送入柠檬酸循环（Citric acid cycle）完全氧化。
缺氧的时候因为粒线体无法作用，只剩下糖解作用独挑大梁；但是糖解作用需要不断的有烟碱醯胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide，以下简称NAD+）将它产生的电子带走。原本这个工作是交给粒线体处理的，但缺氧时粒线体无法工作，于是电子便以NADH的型态累积，造成糖解作用因为缺少NAD + 而无法工作。
这时候我们的细胞会先进行发酵作用（fermentation），消耗掉一部份的NADH，使糖解作用可以继续运行；但是发酵作用会产生乳酸（lactic acid），乳酸带有轻微的毒性，不能储存在体内，必须要尽快代谢掉，否则就会发生乳酸中毒（lactic acidosis）；因此，脊椎动物不能在缺氧的状况下「撑」很久。
那么这些厉害的鱼（如黑鲫 Carassius carassius或金鱼 Carassius auratus）是怎么撑好几个月呢？
过去的研究发现，它们竟然可以把乳酸转为酒精，然后再经由鳃排到水中！之前的研究团队认为，可能是PDH 把丙酮酸转为乙醛，再由一个特别的酒精去氢酶（ADH，alcohol dehydrogenase）将乙醛转为酒精。
PDH 是真核生物中最大的蛋白质复合体（protein complex），由三个酵素E1, E2, E3 构成。其中最重要的是E1，由两个α与两个β次单元（subunit）构成，其功能为将丙酮酸先脱碳、还原后再将乙醯基（acetyl group）转到E2；如果金鱼的PDH 不再将丙酮酸脱碳、还原，而是将丙酮酸转为乙醛，是否意味着E1 产生了变化呢？
为了解开这个谜题，挪威的科学家组成的研究团队比较了鲤科鱼类（鲤鱼、黑鲫、金鱼）的PDH 与ADH 的信息核糖核酸（mRNA，messenger RNA）的序列，以及这些基因在正常状况、缺氧一天、缺氧七天、缺氧七天后再放回正常状况六天在不同组织里的表现状况。
结果发现，在鲤鱼的不同组织里，不论什么状况，它的E1, E2, E3 的表现量都差不多；但是在黑鲫的骨骼肌中，其E1α 与E1β 的mRNA 整体表现量是心、肝、脑的十倍到一百倍。蛋白质的表现量也呼应mRNA 的量。
这么多E1α与E1β，是不是都是同一个基因的产物呢？过去已知鱼类在一至二亿年前曾发生过一次基因体重复，造成E1α有两个基因（以E1α 1、E1α 2表示），E2与E3也各有两个（以E2a、E2b、E3a、 E3b表示）；而E1β只有一个。研究团队分析序列的结果发现，在黑鲫与金鱼的骨骼肌中，除了本来的两个E1α与一个E1β以外，还多了一个E1α与E1β（以E1α 3 与E1β 2 表示）。这两个E1的次单元在骨骼肌的红肌（red muscle）中为主要表现族群，占整体E1α与E1β的95%以上（E1α 3 95.7%，E1β 2 97.1%）；但是在脑、心、肝里，这两个E1的次单元的表现量都很低。
多出来的E1α与E1β是哪里来的呢？研究团队认为，这两个新的基因应该来自于820万年前的鲤科鱼类基因体重复事件。从斑马鱼（Danio rerio）的基因体也印证了这点。斑马鱼在鲤科鱼类基因体重复发生之前，就与它们分道扬镳；分析它的基因体也只能看到两个E1α与一个E1β。
以上这些发现让研究团队认为：金鱼与黑鲫将丙酮酸转化为乙醛的能力，可能就是来自于这两个多出来的基因；也就是说，E1α 3 与E1β 2 组成一个特别的PDH-E1 ，将丙酮酸转化为乙醛。
是否这特别的PDH-E1，真的可以独立作战呢？首先研究团队分析了这两个E1次单元的表现量，发现在心、肝、脑中的E1:E2:E3 的比例都差不多；但是在红肌肉与白肌肉中不论是E1:E2 或E1:E3都出现六十倍的差距。
这么多的E1，当然有可能有一些E1是独立作战者；但是研究团队接着分析E1α 3 与E1β 2 的序列，发现E1β 2 的基因有个突变，使它的第319号氨基酸由带电的天冬胺酸（aspartic acid，D）变成不带电的天冬酰胺（asparagine，N）。过去在人类的E1β中曾发现类似的突变，造成E1与E2分离，影响PDH的功能。这样的突变对一般的PDH是有害的，但对于金鱼与黑鲫的PDH-E1来说，却是正中下怀！跟其他PDH的E1类似的是，这个PDH-E1也是透过调节α次单元的活性来调节整个酵素的活性。在缺氧时，它的E1α会被去磷酸化而活化；当氧气量恢复正常后，它又会被磷酸化而失去活性了。
所以，在金鱼与黑鲫中多出来的这个PDH-E1，它带有D319N 突变使它无法与E2 结合；但这么一来却正好让它可以发挥所长，将丙酮酸转换为乙醛。
光是转换为乙醛还是不够，如果乙醛不能被转换为酒精，那么也只是毒害自己而已。这就需要一个能够把乙醛转换为酒精的乙醇去氢酶（ADH）。在斑马鱼中确实有这么一个ADH，称为ADH8a；但它只表现在肝脏里。是否金鱼与黑鲫的基因体中也有表现在肌肉的ADH8a呢？
研究团队发现，在金鱼与黑鲫的基因体中，存在着三个ADH8a；其中的ADH8a3 占金鱼与黑鲫总体ADH8a 表现量的96%，而且这个ADH 并不表现在肝脏中！当然肝脏里还是有ADH，是ADH8a1；但是红肌肉里面的ADH（ADH8a3）是白肌肉与肝脏的四倍。ADH8a3 也存在着一个突变，将它的第122 号胺基酸由脯胺酸（proline，P）变成组胺酸（histidine，H）。由于这个位置正好在活化位址的附近，研究团队认为这个突变或许会让ADH8a3 对乙醛亲和力上升，造成更倾向于从乙醛合成酒精，而不是由酒精产生乙醛ˊ；不过这就有待后续再研究了。
整体看来，在金鱼与黑鲫中，由于基因体重复产生了额外的E1 次单元。因为有两组E1，使其中一组E1 可以有空间产生一些变化，进而让金鱼与黑鲫获取了更强的生存技能。
笔者以前在国外常听到朋友说：金鱼的生命力很强，即使你不想养了、把它冲到下水道里面去，它也还可以活得好好的；这点早已获得证实。有人在20年前把一缸金鱼倒入瓦瑟河（Vasse River），现在整条河都是金鱼。这篇研究告诉我们，就算是冲到下水道里，金鱼绝对还是可以活得好好的喔！
（文/叶绿舒 慈济大学）
参考文献： Scientific Reports
本文来自CASE报科学，经授权后发布，本文观点不代表沙鸥科报立场，转载请联系原作者。