基因和蛋白质研究为蜘蛛生物学开启新时代

2017-11-08 09:09 来源:科学网 
2017-11-08 09:09:37来源:科学网作者:责任编辑:赵清建

  澳大利亚小型孔雀蜘蛛舞动彩色腹部来吸引异性。图片来源:ADAM FLETCHER/MINDEN PICTURES

  在展示大自然魔鬼般的创造力方面,很难有什么能打败蜘蛛。以隐居的鬼面蜘蛛为例,它们长着很大的尖牙以及凸起且超大的中眼。在整个热带地区,这些八条腿的怪兽挂在树枝上,并在前腿中间撑起一张可伸展的丝网,以便它们能以闪电般的速度将网罩在猎物上。相比之下,艳丽的孔雀蜘蛛到处炫耀彩虹色的腹部以吸引异性,而它们超大的眼睛能看见细小的事物和颜色。流星锤蜘蛛则擅长模仿。夜晚,尾巴上拖着一个黏球的雌性流星锤蜘蛛会散发出雌蛾的气味来引诱并捉住雄蛾。

  美国史密森学会国家自然历史博物馆(NMNH)蜘蛛研究人员Hannah Wood表示,在蜘蛛当中,“每个种群都有着不可思议的故事”。蜘蛛产丝的通用能力帮助解释了它们在全球的成功——据估测,有9万个蜘蛛物种繁盛于除了南极的其他每个大洲。用于捕捉猎物的蛛网从高处像绳索一样降落,并且建造了蜘蛛的卵囊和住所。它们本身就拥有令人难以置信的多样性,其构成更是在每个蜘蛛物种中都不同。蜘蛛的另一个通用属性——毒液也是如此。它们产生的毒液混合物最多可由1000种不同的化学物质构成。

  直到最近,试图阐明蜘蛛广泛的适应性如何产生的节肢动物学家,才基于形态和行为建立了蜘蛛的家族树。但最近,基因和蛋白质研究为蜘蛛生物学开启了新的时代。研究人员对3个蜘蛛物种——金球织网蜘蛛、非洲丝绒蜘蛛和常见家蛛的完整基因组进行了测序,并且对很多其他蜘蛛开展了相对有限的基因和蛋白质研究。最新分析凸显了蜘蛛演化错综复杂的路径,并且引发人们对蛛网和毒液复杂性的关注。“基因组学影响了几乎所有事情。”在阿拉巴马州奥本大学研究蜘蛛的Jason Bond表示,“它改变了人们可以问的问题类型。”

  强大的基因组工具

  研究人员试图通过蜘蛛的尖牙、性器官形状以及其他方面的外表或行为进行分类。他们还利用了上世纪90年代初兴起的分子方法。当时,节肢动物学家辨别出6种短且保守的蜘蛛DNA序列。这些序列在不同的蜘蛛物种间仍拥有足够多的变异,从而使研究人员推断它们之间的关系。不过,NMNH进化生物学家Jonathan Coddington认为,这些分析“从未收到应有的效果”。如今,更加强大的基因组工具正开始弄清楚复杂的关系。“在多年的努力后,非常合理的家族树突然间出现了。”康奈尔大学行为生态学家Linda Rayor表示。

  里程碑出现在2014年。乔治·华盛顿大学蜘蛛分类学家Gustavo Hormiga介绍说,当时,发表于《当代生物学》杂志的两份报告“完全颠倒了蜘蛛的进化”。两个团队比较了来自40个蜘蛛物种的上百个基因,以构建将所有织网者包括在内的家族树。和此前的研究相反,这些分析将金球织网蜘蛛分成两组并将其放在完全不同的家族树分支上。产生带绒毛的黏性纤维的金球织网蜘蛛最终被划分到包括了很多完全不织网的蜘蛛的分支上。而产生羊毛状蛛丝的金球织网蜘蛛自成一个分支。

  在随后的一项研究中,Bond团队比较了70个蜘蛛物种的近3400个活性基因。研究发现,和织网蜘蛛相比,诸如狼蛛、跳蛛等基本不织网且生活在地面上的蛛形纲动物以更快的速度走向多样化。这或许是因为它们不再需要织网后能利用更多新的机会。

  蜘蛛生物学家希望从完整的基因组中了解到更多内容。丹麦奥胡斯大学进化生物学家Trine Bilde开始对一种非洲丝绒蜘蛛——隆头蛛的基因组进行分析。这个物种生活在最多由1000只蜘蛛组成的巢穴中,其中大多数是雌性蜘蛛。它们织出的密集网络可捕捉15厘米长的蚱蜢。隆头蛛是家庭至上者,因此往往只在巢穴内繁育后代。这一习惯再加上巢穴有时会很快消失的证据表明,它们可能有着高度的近亲繁殖关系,从而缺少保护其他生物基免于此类灭绝的基因变异。

  为蛛丝研究打开大门

  这些最初的基因组以及同时进行的分子研究正在产生一种不同的回报:它们正在帮助开启蛛丝和毒液研究的大门。美国自然历史博物馆蛛丝基因学家Cheryl Hayashi被这些物质的分子多样性震惊。

  蛛丝基因编码拥有多次重复氨基酸片段的大量蛋白质。它们自身是长的,并且充满很难破译的重复DNA。不过,丝绒蜘蛛、金球织网蜘蛛和家蛛的基因组展现出丰富多样的蛛丝基因。研究人员已经辨别出两个针对大壶状腺丝(蛛丝的一种)的基因。这种蛛丝在蜘蛛网中形成超强的牵引线,并且为制造一种商用蛛丝提供了灵感。不过,丝绒蜘蛛的基因组仅揭示了10个针对这种蛛丝的基因以及9个编码其他蛛丝蛋白质的基因。

  为了解更多,Hayashi启动了另一个基因组测序项目。她和来自宾夕法尼亚大学的Benjamin Voight、佛蒙特大学的Ingi Agnarsson以及其他人合作,破译了金球织网蜘蛛的基因组并描绘了它们的特征。

  今年5月1日,该团队在《自然—遗传学》杂志网络版上报告称,金球织网蜘蛛的基因组含有28个蛛丝基因,其中8个对于科学界来说是全新的。研究发现,基因和蛛丝类型之间并非一一对应关系,并且一些蛛丝基因似乎获得了完全不同的功能。例如,金球织网蜘蛛的一种蛛丝基因甚至在蜘蛛的毒腺中被表达。

  掌握蛛丝的分子基因学

  最新破译的基因有助于解释蛛丝属性的分子基础。蛛丝基因含有被称为基序的短DNA片段,而基序的数量和具体序列在不同物种中有所差别。通过将基因差异和蛛丝属性的不同进行比较,Hayashi团队发现,这些基序似乎影响蛛丝的强度、弹性和其他特征。

  对这种复杂性进行分类或许能帮助生物工程师更好地理解并且最终利用蛛丝非凡的韧性和灵活性。“在这些序列中隐藏着很多问题的答案。比如,蜘蛛如何使丝液在体内保持极高的浓度?”Hayashi表示,生物化学家很难回答这些问题。同时,她和其他人发现,丝腺含有或许充当了分子伴侣并且帮助产生纤维的非蛛丝蛋白质。

  对于试图制造人工蛛丝的研究人员来说,这些发现是一座金矿。“突然间,我们掌握了蛛丝的分子基因学。”Coddington说,“大门打开了。”

  研究有着类似复杂程度的蜘蛛毒液的大门也在打开。蜘蛛毒液或许能提供对控制昆虫或缓解疼痛有用的化合物。“毒液混合物拥有最多达1000种的不同化学物质,并且差别很大。”位于俄勒冈州的路易克拉克大学进化生物学家Greta Binford对褐皮花蛛毒液可摧毁身体组织的奇特属性进行了研究。被这种蜘蛛咬过的人患上坏疽病,严重时甚至会失去手足。Binford介绍说,新的基因组和后续开展的蛋白质研究“为确认我们正在获得一系列有着巨大成分差异的毒液提供了更多信心”。(宗华编译)

[责任编辑:赵清建]

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