最新模型定義蛇毒進(jìn)化 劇毒蛋白質(zhì)進(jìn)化于無(wú)毒基因
據(jù)科學(xué)日?qǐng)?bào)報(bào)道，目前描繪蛇或者蜥蜴嘴巴內(nèi)部主要基因的科技改變了科學(xué)家們將動(dòng)物定義為有毒的方式。如果口腔腺體能夠表達(dá)與“毒素”相關(guān)的20個(gè)基因家族中的一些基因，那么這個(gè)物種就被定義為有毒。然而，美國(guó)德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的一項(xiàng)最新研究挑戰(zhàn)了這一定義，這些研究還建立了一個(gè)描述蛇毒是如何產(chǎn)生的新模型。這項(xiàng)發(fā)表在期刊《分子生物學(xué)和進(jìn)化》上的研究是基于對(duì)黃金蟒，也稱緬甸蟒(Python molurus bivittatus)不同部位的組織里相關(guān)基因或“基因家族”的對(duì)比分析。
劇毒蛋白質(zhì)進(jìn)化于無(wú)毒基因
由美國(guó)德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校生物學(xué)助理教授托德·卡斯托(Todd Castoe)帶領(lǐng)的研究小組——其中還包括來(lái)自美國(guó)科羅拉多大學(xué)和英國(guó)的研究人員——發(fā)現(xiàn)蟒蛇口腔腺體里包含的所謂毒素基因家族水平與蟒蛇大腦、肝、胃和其它器官組織里相同基因的水平非常相似。科學(xué)家們表示這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)展示了蛇毒基因在進(jìn)化成蛇毒之前的功能。它還顯示了蛇或者蜥蜴口腔腺體里這類(lèi)與蛇毒相關(guān)的基因的表達(dá)尚不足以完全定義一個(gè)物種是否有毒。
“對(duì)蛇毒的研究非常普遍，因?yàn)樗鼘?duì)治療和理解毒蛇咬傷，以及潛在的將蛇毒應(yīng)用于藥物研發(fā)非常重要。然而，在此之前所有的研究都關(guān)注于毒腺，也就是蛇毒在被釋放之前所產(chǎn)生的部位。” 卡斯托說(shuō)道。“至于蛇身體其它部位究竟發(fā)生了什么，目前并沒(méi)有確切的研究。這是首項(xiàng)利用蛇毒基因組研究蛇身體其它部位的研究。”
了解蛇毒的進(jìn)化可以幫助科學(xué)家們研發(fā)更好的抗蛇毒素并提供人類(lèi)基因進(jìn)化的知識(shí)。卡斯托表示隨著基因分析能力的提升，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多證據(jù)支持一項(xiàng)長(zhǎng)久的理論。這一理論認(rèn)為劇毒蛋白質(zhì)進(jìn)化“產(chǎn)生”于無(wú)毒基因，這些基因在身體其它部位具有普通的功能，例如調(diào)節(jié)細(xì)胞功能或者消化食物。
“這些結(jié)果顯示了基因或者之前被解譯為‘毒素基因’的轉(zhuǎn)錄基因可能只是普通的“家政”基因，主要參與維持很多組織正常的新陳代謝。”研究合作作者、美國(guó)北科羅拉多大學(xué)生物學(xué)教授史蒂芬·麥克西(Stephen Mackessy)這樣說(shuō)道。“我們的結(jié)果還表明，蛇毒和蛇毒遞送系統(tǒng)并非有單一的古老起源，而是從好幾個(gè)單獨(dú)的爬行動(dòng)物血系里獨(dú)立進(jìn)化而成的。”
卡斯托是2013年一項(xiàng)描繪黃金蟒基因組研究的首席作者。蟒蛇并沒(méi)有被定義為有毒，即使它具備某些在其它物種中進(jìn)化成蛇毒的相同基因。而其中的差別在于，毒蛇，例如響尾蛇和眼鏡蛇，的蛇毒基因家族被擴(kuò)展得具有多個(gè)這種基因的副本，而某些副本進(jìn)化成可以產(chǎn)生劇毒蛋白質(zhì)的基因。
“在蛇毒基因家族擴(kuò)展并重新分工之前，無(wú)毒蟒蛇從已經(jīng)從蛇類(lèi)進(jìn)化樹(shù)中分離出來(lái)。因此蟒蛇代表了一扇窺探蛇毒進(jìn)化之前蛇類(lèi)的窗戶。” 卡斯托解釋道。“研究它將幫助我們描繪很多脊椎動(dòng)物，包括人類(lèi)身上這些基因家族是如何進(jìn)化成致命毒素編碼基因的畫(huà)面。”
卡斯托實(shí)驗(yàn)室的研究生雅克伯·雷耶斯-貝拉斯科(Jacobo Reyes-Velasco)是這項(xiàng)最新研究的首席作者。其它合作作者還包括德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校生物學(xué)學(xué)院的達(dá)仁·卡德(Daren Card)、奧德拉·安德魯(Audra Andrew)、凱爾·謝恩伊(Kyle Shaney)、理查德·亞當(dāng)斯(Richard Adams)和德魯·施爾德(Drew Schield)，以及英國(guó)利物浦熱帶醫(yī)學(xué)院的尼古拉斯·卡斯韋爾(Nicholas Casewell)。
研究小組調(diào)查了蟒蛇、眼鏡蛇、響尾蛇和毒蜥(Gila monster)共享的24個(gè)與蛇毒有關(guān)的基因家族。蛇毒進(jìn)化的傳統(tǒng)觀點(diǎn)是它是蛇和蜥蜴進(jìn)化過(guò)程中某個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)展而成的一個(gè)核心蛇毒系統(tǒng)，這就是著名的Toxicofera演化支假說(shuō)，而劇毒蛇類(lèi)，也被稱為高級(jí)(Caenophidian)蛇的進(jìn)化發(fā)生在這一演化支之后。至于進(jìn)化為什么從25000多個(gè)基因中選擇24個(gè)基因形成高度劇毒的編碼基因，目前的解釋非常匱乏。
“我們相信這項(xiàng)研究將為未來(lái)研究提供重要的基準(zhǔn)線，幫助蛇毒研究人員更好的理解導(dǎo)致蛇毒里毒性分子混合物的產(chǎn)生的過(guò)程，并定義對(duì)于殺死獵物和在人類(lèi)蛇毒咬傷患者身上出現(xiàn)的病理學(xué)至關(guān)重要的分子。”
在研究蟒蛇物種時(shí)，研究小組發(fā)現(xiàn)了與蛇毒有關(guān)的基因家族存在好幾個(gè)與其它基因不同的共同特征。與其它蟒蛇基因家族相比，蛇毒基因家族“整體表達(dá)水平較低，只在非常少的組織里具有中等以上的表達(dá)水平，且在所有組織里基因表達(dá)水平呈現(xiàn)最大的變異性。” 卡斯托表示。
“進(jìn)化似乎是基于基因表達(dá)的位置(或者是否表達(dá))，以及表達(dá)的程度來(lái)選擇進(jìn)化成蛇毒的特定基因。” 卡斯托解釋道。基于這些數(shù)據(jù)，最新研究提出了一個(gè)包含蛇毒進(jìn)化三步驟的新模型。首先，這些潛在有毒的基因默認(rèn)出現(xiàn)在口腔腺體里，因?yàn)樗鼈冸m然表達(dá)水平較低，但在整個(gè)身體里的表達(dá)較為一致。其次，由于自然選擇這些基因在口腔腺體里的表達(dá)是有益的，因此口腔組織里這些基因的表達(dá)水平比身體其它部分要更高。最后，隨著蛇毒進(jìn)化的越來(lái)越有毒，這些基因在其它器官里的表達(dá)逐漸降低，從而限制這些毒素在其它身體組織里的分泌產(chǎn)生潛在的有害效應(yīng)。
研究小組將這一模型稱為逐步中間近中性進(jìn)化補(bǔ)充(SINNER)模型。他們表示蛇和其它動(dòng)物里不同的蛇毒水平或可以追溯到不同物種或者同一物種不同基因從SINNER模型開(kāi)始到結(jié)束的連續(xù)統(tǒng)一過(guò)程中出現(xiàn)的變化性。
卡斯托表示研究的下一步將是調(diào)查劇毒蛇的基因組，以調(diào)查SINNER模型的可靠性。就目前而言，卡斯托和他的研究小組希望這些發(fā)現(xiàn)能夠改變將物種定義為有毒的方式。“什么是蛇毒，以及什么物種是有毒的，需要更多的證據(jù)來(lái)界定。這些發(fā)現(xiàn)提供了我們觀察蛇類(lèi)口腔腺體時(shí)應(yīng)該思考的問(wèn)題的全新視角。”
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