基因和蛋白质研究为蜘蛛生物学开启新时代
时间:2017-12-07

  基因和蛋白质研究为蜘蛛生物学开创了一个新时代 - 新闻 - 科学网

  展现自然的恶魔本质,很难打败蜘蛛。在幽幽的幽灵蜘蛛的情况下,他们有大的牙齿和高大的眼睛。在整个热带地区,这些八脚怪物挂在树枝上,在前腿的中间有一个可拉伸的网状物,因此它们可以用闪电般的速度覆盖猎物。相比之下,华丽的孔雀蜘蛛炫耀其彩虹般的腹部吸引异性,而他们的超大眼睛看到微小的东西和颜色。流星锤蜘蛛擅长模仿。夜晚,一只女性玻利维亚蜘蛛尾巴上的粘球会散发女性飞蛾的气味,诱惑和捕捉雄蛾。

  美国史密森尼学会国家自然历史博物馆(NMNH)的蜘蛛研究员汉娜·伍德(Hannah Wood)说,在蜘蛛之中,每个小组都有一个令人难以置信的故事。蜘蛛产生细丝的普遍能力有助于解释它们在全球的成功。据估计,除南极以外,每个大陆上有9万种蜘蛛种类繁殖。捕捉猎物的蜘蛛网像绳索一样从上面下来,建立起了蜘蛛的卵囊和栖身之所,它们​​本身就具有令人难以置信的多样性,蜘蛛种类的组成也各不相同,蜘蛛的其他普通毒性也是如此。他们生产的毒液混合物可以由多达1000种不同的化学物质组成。

  直到最近,节肢动物学家试图阐明蜘蛛的“广泛适应性如何创造一个蜘蛛的家庭树的形态和行为的基础上。但是最近,基因和蛋白质研究开启了蜘蛛生物学的新时代。研究人员对三种蜘蛛物种的全基因组测序,金球蜘蛛,非洲天鹅绒蜘蛛和普通蜘蛛,并对其他许多蜘蛛进行了相对有限的遗传和蛋白质研究。最近的分析突出了蜘蛛的复杂性,并引起了人们对蜘蛛网和毒液复杂性的担忧。基因组学影响几乎一切。在阿拉巴马州奥本大学学习蜘蛛的詹森·邦德(Jason Bond)说,它改变了人们可以问的问题类型。

  强大的基因组工具

  研究人员试图通过犬的蜘蛛分类,性器官的形状和其他外观或行为。他们也利用了90年代初出现的分子方法。当时,节肢动物确定了六个短而保守的蜘蛛DNA序列。这些序列在不同的蜘蛛物种之间仍然有足够的变异,研究人员能够推断它们之间的关系。然而,NMNH进化生物学家乔纳森·科丁顿(Jonathan Coddington)认为,这些分析从来没有收到预期的结果。现在更强大的基因组工具开始找出复杂的关系。经过多年的努力,一棵非常合理的家谱突然出现了。康奈尔大学行为生态学家Linda Rayor说。

  乔治华盛顿大学蜘蛛分类学家Gustavo Hormiga表示,在“当代生物学”杂志上发表的两篇报道完全颠覆了蜘蛛的进化,两个团队比较了来自40种蜘蛛物种的数百个基因,构建了一个家族树,包括所有的织工,与以前的研究相反,这些分析将金球编织蜘蛛分成两组,放在一个完全不同的家族树枝上,产生蓬松粘性纤维的金蜘蛛网蜘蛛最终被分成蜘蛛,生产羊毛状蜘蛛网的蜘蛛是一个分支。

  在随后的研究中,邦德团队比较了来自70个蜘蛛物种的近3400个活性基因。研究发现蜘蛛生活在地面上,比如狼蛛,跳跃的蜘蛛和其他非织造网,速度更快,比蛛网蜘蛛多样化。这可能是因为他们不再需要网格来利用更多的新机会。

  蜘蛛生物学家想从整个基因组中获得更多。丹麦奥胡斯大学(University of Aarhus)的进化生物学家Trine Bilde开始分析非洲天鹅绒蜘蛛蜘蛛的基因组。这个物种生活在一个多达1,000只蜘蛛巢中,其中大多数是蜘蛛。他们编织密集的网络捕捉15厘米长的蚱蜢。蜘蛛蜘蛛是家庭至上的,它往往只在巢的后代繁殖。这种习惯以及巢穴有时快速消失的证据表明,它们可能具有高度的近亲繁殖,因此缺乏保护其他生物免受这种灭绝的遗传变异。

  打开游丝研究的大门

  这些最初的基因组和同时进行的分子研究产生了不同的回报:他们正在帮助打开游丝和毒液研究的大门。美国自然历史博物馆的一名游丝Cheryl Hayashi对这些物质的分子多样性感到震惊。

  蜘蛛丝基因编码大量具有多个重复氨基酸片段的蛋白质。它们本身就很长,并且充满了难以破译的重复的DNA。然而,天鹅绒蜘蛛,蜘蛛网和蜘蛛蜘蛛的基因组展现出蜘蛛丝基因的丰富多样性。研究人员已经确定了两个靶向大锅状腺体的基因,一种蜘蛛丝。这种蜘蛛丝在蜘蛛网中形成了非常强大的拉线,为制造商业游丝提供了灵感。然而,天鹅绒蜘蛛的基因组仅显示该蜘蛛丝的10个基因和编码其他蜘蛛丝蛋白的9个基因。

  为了了解更多,Hayashi推出了另一个基因组测序项目。她与宾夕法尼亚大学的Benjamin Voight,佛蒙特大学的Ingi Agnarsson以及其他人合作解密和描述蜘蛛网的基因组。

  今年5月1日,该团队在“自然遗传学”杂志的在线版报道,蜘蛛网的基因组中包含28个蜘蛛丝基因,其中8个是科学界的新成员。研究发现,基因与蜘蛛丝类型之间没有一一对应的关系,而且一些蜘蛛丝基因似乎具有完全不同的功能。例如,蜘蛛蛛网蜘蛛的蜘蛛丝基因甚至在蜘蛛的毒腺中表达。

  主游丝分子遗传学

  新解释的基因有助于解释蜘蛛丝性质的分子基础。蜘蛛丝基因含有称为基序的短DNA片段,不同物种的基序数目和特异性序列不同。通过比较遗传差异和蜘蛛属性,Hayashi的研究小组发现,这些图案似乎影响蜘蛛丝的强度,弹性和其他特性。

  对这种复杂性进行分类可能会帮助生物工程师更好地理解并最终利用游丝的超凡韧性和敏捷性。隐藏在这些序列中的这些问题有很多答案。比如,如何让蜘蛛丝在身上保持很高的浓度? Hayashi说生物化学家很难回答这些问题。与此同时,她和其他人发现,丝腺含有非游丝蛋白,可能作为分子伴侣,并有助于创造纤维。

  对于试图制造人造蜘蛛的研究人员来说,这些发现是一个金矿。突然,我们掌握了蜘蛛丝的分子遗传学。科丁顿说门开了。

  研究具有类似复杂程度的蜘蛛毒液的大门也正在打开。蜘蛛毒液可提供用于防治昆虫或缓解疼痛的化合物。毒液混合物有多达1000种不同的化学物质,而且差别很大。俄勒冈州路易斯克拉克大学的进化生物学家葛丽泰·宾福德(Greta Binford)研究了可能被毒液破坏的毒液的独特属性。被蜘蛛咬伤的人受到坏疽的困扰,​​严重时甚至会失去手脚。据宾福德介绍,新的基因组和随后的蛋白质研究提供了更多的信心,证实我们正在得到一系列具有巨大成分差异的毒液。 (宗华编)