基因和蛋白質研究為蜘蛛生物學開啟新時代—新聞—科學網

2020-12-03 科學網

澳大利亞小型孔雀蜘蛛舞動彩色腹部來吸引異性。

圖片來源：ADAM FLETCHER/MINDEN PICTURES

 

在展示大自然魔鬼般的創造力方面，很難有什麼能打敗蜘蛛。以隱居的鬼面蜘蛛為例，它們長著很大的尖牙以及凸起且超大的中眼。在整個熱帶地區，這些八條腿的怪獸掛在樹枝上，並在前腿中間撐起一張可伸展的絲網，以便它們能以閃電般的速度將網罩在獵物上。相比之下，豔麗的孔雀蜘蛛到處炫耀彩虹色的腹部以吸引異性，而它們超大的眼睛能看見細小的事物和顏色。流星錘蜘蛛則擅長模仿。夜晚，尾巴上拖著一個黏球的雌性流星錘蜘蛛會散發出雌蛾的氣味來引誘並捉住雄蛾。

美國史密森學會國家自然歷史博物館（NMNH）蜘蛛研究人員Hannah Wood表示，在蜘蛛當中，「每個種群都有著不可思議的故事」。蜘蛛產絲的通用能力幫助解釋了它們在全球的成功——據估測，有9萬個蜘蛛物種繁盛於除了南極的其他每個大洲。用於捕捉獵物的蛛網從高處像繩索一樣降落，並且建造了蜘蛛的卵囊和住所。它們本身就擁有令人難以置信的多樣性，其構成更是在每個蜘蛛物種中都不同。蜘蛛的另一個通用屬性——毒液也是如此。它們產生的毒液混合物最多可由1000種不同的化學物質構成。

直到最近，試圖闡明蜘蛛廣泛的適應性如何產生的節肢動物學家，才基於形態和行為建立了蜘蛛的家族樹。但最近，基因和蛋白質研究為蜘蛛生物學開啟了新的時代。研究人員對3個蜘蛛物種——金球織網蜘蛛、非洲絲絨蜘蛛和常見家蛛的完整基因組進行了測序，並且對很多其他蜘蛛開展了相對有限的基因和蛋白質研究。最新分析凸顯了蜘蛛演化錯綜複雜的路徑，並且引發人們對蛛網和毒液複雜性的關注。「基因組學影響了幾乎所有事情。」在阿拉巴馬州奧本大學研究蜘蛛的Jason Bond表示，「它改變了人們可以問的問題類型。」

強大的基因組工具

研究人員試圖通過蜘蛛的尖牙、性器官形狀以及其他方面的外表或行為進行分類。他們還利用了上世紀90年代初興起的分子方法。當時，節肢動物學家辨別出6種短且保守的蜘蛛DNA序列。這些序列在不同的蜘蛛物種間仍擁有足夠多的變異，從而使研究人員推斷它們之間的關係。不過，NMNH進化生物學家Jonathan Coddington認為，這些分析「從未收到應有的效果」。如今，更加強大的基因組工具正開始弄清楚複雜的關係。「在多年的努力後，非常合理的家族樹突然間出現了。」康奈爾大學行為生態學家Linda Rayor表示。

裡程碑出現在2014年。喬治·華盛頓大學蜘蛛分類學家Gustavo Hormiga介紹說，當時，發表於《當代生物學》雜誌的兩份報告「完全顛倒了蜘蛛的進化」。兩個團隊比較了來自40個蜘蛛物種的上百個基因，以構建將所有織網者包括在內的家族樹。和此前的研究相反，這些分析將金球織網蜘蛛分成兩組並將其放在完全不同的家族樹分支上。產生帶絨毛的黏性纖維的金球織網蜘蛛最終被劃分到包括了很多完全不織網的蜘蛛的分支上。而產生羊毛狀蛛絲的金球織網蜘蛛自成一個分支。

在隨後的一項研究中，Bond團隊比較了70個蜘蛛物種的近3400個活性基因。研究發現，和織網蜘蛛相比，諸如狼蛛、跳蛛等基本不織網且生活在地面上的蛛形綱動物以更快的速度走向多樣化。這或許是因為它們不再需要織網後能利用更多新的機會。

蜘蛛生物學家希望從完整的基因組中了解到更多內容。丹麥奧胡斯大學進化生物學家Trine Bilde開始對一種非洲絲絨蜘蛛——隆頭蛛的基因組進行分析。這個物種生活在最多由1000隻蜘蛛組成的巢穴中，其中大多數是雌性蜘蛛。它們織出的密集網絡可捕捉15釐米長的蚱蜢。隆頭蛛是家庭至上者，因此往往只在巢穴內繁育後代。這一習慣再加上巢穴有時會很快消失的證據表明，它們可能有著高度的近親繁殖關係，從而缺少保護其他生物基免於此類滅絕的基因變異。

為蛛絲研究打開大門

這些最初的基因組以及同時進行的分子研究正在產生一種不同的回報：它們正在幫助開啟蛛絲和毒液研究的大門。美國自然歷史博物館蛛絲基因學家Cheryl Hayashi被這些物質的分子多樣性震驚。

蛛絲基因編碼擁有多次重複胺基酸片段的大量蛋白質。它們自身是長的，並且充滿很難破譯的重複DNA。不過，絲絨蜘蛛、金球織網蜘蛛和家蛛的基因組展現出豐富多樣的蛛絲基因。研究人員已經辨別出兩個針對大壺狀腺絲（蛛絲的一種）的基因。這種蛛絲在蜘蛛網中形成超強的牽引線，並且為製造一種商用蛛絲提供了靈感。不過，絲絨蜘蛛的基因組僅揭示了10個針對這種蛛絲的基因以及9個編碼其他蛛絲蛋白質的基因。

為了解更多，Hayashi啟動了另一個基因組測序項目。她和來自賓夕法尼亞大學的Benjamin Voight、佛蒙特大學的Ingi Agnarsson以及其他人合作，破譯了金球織網蜘蛛的基因組並描繪了它們的特徵。

今年5月1日，該團隊在《自然—遺傳學》雜誌網絡版上報告稱，金球織網蜘蛛的基因組含有28個蛛絲基因 ，其中8個對於科學界來說是全新的。研究發現，基因和蛛絲類型之間並非一一對應關係，並且一些蛛絲基因似乎獲得了完全不同的功能。例如，金球織網蜘蛛的一種蛛絲基因甚至在蜘蛛的毒腺中被表達。

掌握蛛絲的分子基因學

最新破譯的基因有助於解釋蛛絲屬性的分子基礎。蛛絲基因含有被稱為基序的短DNA片段，而基序的數量和具體序列在不同物種中有所差別。通過將基因差異和蛛絲屬性的不同進行比較，Hayashi團隊發現，這些基序似乎影響蛛絲的強度、彈性和其他特徵。

對這種複雜性進行分類或許能幫助生物工程師更好地理解並且最終利用蛛絲非凡的韌性和靈活性。「在這些序列中隱藏著很多問題的答案。比如，蜘蛛如何使絲液在體內保持極高的濃度？」Hayashi表示，生物化學家很難回答這些問題。同時，她和其他人發現，絲腺含有或許充當了分子伴侶並且幫助產生纖維的非蛛絲蛋白質。

對於試圖製造人工蛛絲的研究人員來說，這些發現是一座金礦。「突然間，我們掌握了蛛絲的分子基因學。」Coddington說，「大門打開了。」

研究有著類似複雜程度的蜘蛛毒液的大門也在打開。蜘蛛毒液或許能提供對控制昆蟲或緩解疼痛有用的化合物。「毒液混合物擁有最多達1000種的不同化學物質，並且差別很大。」位於俄勒岡州的路易克拉克大學進化生物學家Greta Binford對褐皮花蛛毒液可摧毀身體組織的奇特屬性進行了研究。被這種蜘蛛咬過的人患上壞疽病，嚴重時甚至會失去手足。Binford介紹說，新的基因組和後續開展的蛋白質研究「為確認我們正在獲得一系列有著巨大成分差異的毒液提供了更多信心」。（宗華編譯）

 

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