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最新模型定義蛇毒進化 劇毒蛋白質進化于無毒基因

據科學日報報道,目前描繪蛇或者蜥蜴嘴巴內部主要基因的科技改變了科學家們將動物定義為有毒的方式。如果口腔腺體能夠表達與“毒素”相關的20個基因家族中的一些基因,那么這個物種就被定義為有毒。然而,美國德克薩斯大學阿靈頓分校的一項最新研究挑戰了這一定義,這些研究還建立了一個描述蛇毒是如何產生的新模型。這項發表在期刊《分子生物學和進化》上的研究是基于對黃金蟒,也稱緬甸蟒(Python molurus bivittatus)不同部位的組織里相關基因或“基因家族”的對比分析。

劇毒蛋白質進化于無毒基因

由美國德克薩斯大學阿靈頓分校生物學助理教授托德·卡斯托(Todd Castoe)帶領的研究小組——其中還包括來自美國科羅拉多大學和英國的研究人員——發現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。科學家們表示這項發現展示了蛇毒基因在進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與蛇毒相關的基因的表達尚不足以完全定義一個物種是否有毒。

“對蛇毒的研究非常普遍,因為它對治療和理解毒蛇咬傷,以及潛在的將蛇毒應用于藥物研發非常重要。然而,在此之前所有的研究都關注于毒腺,也就是蛇毒在被釋放之前所產生的部位。” 卡斯托說道。“至于蛇身體其它部位究竟發生了什么,目前并沒有確切的研究。這是首項利用蛇毒基因組研究蛇身體其它部位的研究。”

了解蛇毒的進化可以幫助科學家們研發更好的抗蛇毒素并提供人類基因進化的知識。卡斯托表示隨著基因分析能力的提升,科學家們發現了越來越多證據支持一項長久的理論。這一理論認為劇毒蛋白質進化“產生”于無毒基因,這些基因在身體其它部位具有普通的功能,例如調節細胞功能或者消化食物。

“這些結果顯示了基因或者之前被解譯為‘毒素基因’的轉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、美國北科羅拉多大學生物學教授史蒂芬·麥克西(Stephen Mackessy)這樣說道。“我們的結果還表明,蛇毒和蛇毒遞送系統并非有單一的古老起源,而是從好幾個單獨的爬行動物血系里獨立進化而成的。”

卡斯托是2013年一項描繪黃金蟒基因組研究的首席作者。蟒蛇并沒有被定義為有毒,即使它具備某些在其它物種中進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展得具有多個這種基因的副本,而某些副本進化成可以產生劇毒蛋白質的基因。

“在蛇毒基因家族擴展并重新分工之前,無毒蟒蛇從已經從蛇類進化樹中分離出來。因此蟒蛇代表了一扇窺探蛇毒進化之前蛇類的窗戶。” 卡斯托解釋道。“研究它將幫助我們描繪很多脊椎動物,包括人類身上這些基因家族是如何進化成致命毒素編碼基因的畫面。”

卡斯托實驗室的研究生雅克伯·雷耶斯-貝拉斯科(Jacobo Reyes-Velasco)是這項最新研究的首席作者。其它合作作者還包括德克薩斯大學阿靈頓分校生物學學院的達仁·卡德(Daren Card)、奧德拉·安德魯(Audra Andrew)、凱爾·謝恩伊(Kyle Shaney)、理查德·亞當斯(Richard Adams)和德魯·施爾德(Drew Schield),以及英國利物浦熱帶醫學院的尼古拉斯·卡斯韋爾(Nicholas Casewell)。

研究小組調查了蟒蛇、眼鏡蛇、響尾蛇和毒蜥(Gila monster)共享的24個與蛇毒有關的基因家族。蛇毒進化的傳統觀點是它是蛇和蜥蜴進化過程中某個時間點發展而成的一個核心蛇毒系統,這就是著名的Toxicofera演化支假說,而劇毒蛇類,也被稱為高級(Caenophidian)蛇的進化發生在這一演化支之后。至于進化為什么從25000多個基因中選擇24個基因形成高度劇毒的編碼基因,目前的解釋非常匱乏。

“我們相信這項研究將為未來研究提供重要的基準線,幫助蛇毒研究人員更好的理解導致蛇毒里毒性分子混合物的產生的過程,并定義對于殺死獵物和在人類蛇毒咬傷患者身上出現的病理學至關重要的分子。”

在研究蟒蛇物種時,研究小組發現了與蛇毒有關的基因家族存在好幾個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“整體表達水平較低,只在非常少的組織里具有中等以上的表達水平,且在所有組織里基因表達水平呈現最大的變異性。” 卡斯托表示。

“進化似乎是基于基因表達的位置(或者是否表達),以及表達的程度來選擇進化成蛇毒的特定基因。” 卡斯托解釋道。基于這些數據,最新研究提出了一個包含蛇毒進化三步驟的新模型。首先,這些潛在有毒的基因默認出現在口腔腺體里,因為它們雖然表達水平較低,但在整個身體里的表達較為一致。其次,由于自然選擇這些基因在口腔腺體里的表達是有益的,因此口腔組織里這些基因的表達水平比身體其它部分要更高。最后,隨著蛇毒進化的越來越有毒,這些基因在其它器官里的表達逐漸降低,從而限制這些毒素在其它身體組織里的分泌產生潛在的有害效應。

研究小組將這一模型稱為逐步中間近中性進化補充(SINNER)模型。他們表示蛇和其它動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模型開始到結束的連續統一過程中出現的變化性。

卡斯托表示研究的下一步將是調查劇毒蛇的基因組,以調查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現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,需要更多的證據來界定。這些發現提供了我們觀察蛇類口腔腺體時應該思考的問題的全新視角。”

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