【論文故事】用基因組圖譜揭開蛛絲與毒液奧秘| 果殼 科技有意思

2020-11-28 果殼網

喜愛超級英雄的科幻迷也許都對飛簷走壁的蜘蛛俠印象深刻。而在自然界中，蜘蛛也是極具特點的動物。它們中的許多種類不僅能夠製造長而堅韌的蛛絲供捕獵和攀爬，還能夠分泌複雜的毒素用於覓食和自衛。近日，來自丹麥奧胡斯大學的一個研究小組利用蛋白質組和轉錄組的方法對兩類具有代表性的蜘蛛——隆頭蛛和捕鳥蛛的基因組進行了分析。這一研究成果發表在最新一期的《自然·通訊》雜誌上。

研究人員通過基因組學的手段對非洲的一種社會性的隆頭蛛（Stegodyphus mimosarum）和一種被稱為「巴西白膝頭」的捕鳥蛛（Acanthoscurria geniculata）的全基因組進行了測序。「被測序的兩種蜘蛛分別代表著兩個主要的蜘蛛類群：猛蛛亞目和新蛛亞目。這也許能為我們提供一些關於蜘蛛的普適認識。」文章的共同第一作者傑斯帕·貝奇佳德（Jesper Bechsgaard）對果殼網說，「選擇捕鳥蛛的另一個原因是我們團隊的一部分研究者研究捕鳥蛛消化液中的蛋白質，基因組序列將為他們提供幫助。而選擇隆頭蛛是因為我們正試圖了解它們的社會行為對基因組的影響。當然，基因組序列也更為進一步研究提供了很好的工具。」

Stegodyphus mimosarum的群體攝食。圖片來源：Virginia Settepani

研究者最終得到了豐富的基因組數據：隆頭蛛的基因組大小約為2.55GB，編碼蛋白的基因為27235個；捕鳥蛛的基因組大小為6.5GB，編碼蛋白的基因為73821個。隨後，研究者又利用質譜的方法分別從兩種蜘蛛體內、蛛絲和毒素中分離蛋白。對於隆頭蛛而言，在其體內分離鑑定得到1127種蛋白，蛛絲蛋白佔其中的132種，毒素佔157種。而在對捕鳥蛛的分析中，研究人員分別得到了2059種體內蛋白、120種毒素蛋白以及15種蛛絲蛋白。

該項研究進行的轉錄組學實驗顯示，兩種蜘蛛的基因組結構具有相似的特徵：其內含子長度較長（平均為8058bp和9306bp）但外顯子長度則較短（分別為230bp和290bp）。這一基因結構明顯有別於其他的節肢動物，反而與人類的基因組結構較為相似。對於這種現象的出現，貝奇佳德提供了一種可能的解釋，他認為：「較長的內含子序列使得基因結構豐富多變，經由靈活的剪切，蜘蛛能夠對各蛋白的表達進行調整。」

捕鳥蛛巴西白膝頭。圖片來源：annaksunamoon.deviantart.com

在繪製兩種蜘蛛基因組圖譜的同時，研究人員還對兩種蜘蛛的分泌物：蛛絲和毒液的組成進行了分析。在對毒液進行的分析中，研究人員發現雖然兩種蜘蛛的毒液組成並不相同，但都表達大量富含半胱氨酸殘基的蛋白酶。此前學術界曾認為這些蛋白酶在蜘蛛注入毒液的過程中扮演著溶解組織促進毒素滲透的作用，而本研究則提供了一個新的視角：經由蛋白質組學的分析和比對，研究人員認為這些蛋白質於此前在其他蜘蛛消化液中的蛋白酶並不相同，但與一些毒素蛋白的調控因子結構類似。據此，研究人員推測這些蛋白可能起到「激活」毒素的作用。

而在對蛛絲蛋白的分析中，研究人員取得的兩項重要的成果：首先他們發現隆頭蛛的蛛絲由至少兩種類型的蛛絲蛋白構成；其次，他們發現了四種此前並未被報導過的蛛絲蛋白序列。這將有助於人們解釋蛛絲的構成，並為仿照蛛絲結構製造生物材料供工業使用提供參考。「不過，我並不認為我們能很快地創造出新的蜘蛛俠，哈哈。」貝奇佳德打趣說。

這項成果並不會讓「蜘蛛俠」更快成為現實，但的確可能促進蛛絲在工業上的應用。圖片來源：videogamesblogger.com

「作為進化生物學家，我們的主要任務是利用這些數據作為工具，對這些蜘蛛進化上的問題進行回答，並研究他們的生活習性。但對於另一部分人來說，這些研究可能會促進他們將一些成果投入應用。」貝奇佳德對果殼網說，「目前雖然無法確知這一結果會促進哪些應用的出現，但基於目前利用蛛絲製作繩索、生物降解材料、衣物等研究如火如荼的現狀，我們的研究成果可能會促使這些領域的研究再進一步。」

信息來源：Nature

文章題圖：dnes.cz

 

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