基因和蛋白質(zhì)研究為蜘蛛生物學(xué)開啟新時(shí)代

在展示大自然魔鬼般的創(chuàng)造力方面，很難有什么能打敗蜘蛛。以隱居的鬼面蜘蛛為例，它們長(zhǎng)著很大的尖牙以及凸起且超大的中眼。在整個(gè)熱帶地區(qū)，這些八條腿的怪獸掛在樹枝上，并在前腿中間撐起一張可伸展的絲網(wǎng)，以便它們能以閃電般的速度將網(wǎng)罩在獵物上。相比之下，艷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(xì)小的事物和顏色。流星錘蜘蛛則擅長(zhǎng)模仿。夜晚，尾巴上拖著一個(gè)黏球的雌性流星錘蜘蛛會(huì)散發(fā)出雌蛾的氣味來引誘并捉住雄蛾。

美國史密森學(xué)會(huì)國家自然歷史博物館（NMNH）蜘蛛研究人員 Hannah Wood 表示，在蜘蛛當(dāng)中，“每個(gè)種群都有著不可思議的故事”。蜘蛛產(chǎn)絲的通用能力幫助解釋了它們?cè)谌虻某晒Α獡?jù)估測(cè)，有 9 萬個(gè)蜘蛛物種繁盛于除了南極的其他每個(gè)大洲。用于捕捉獵物的蛛網(wǎng)從高處像繩索一樣降落，并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(gòu)成更是在每個(gè)蜘蛛物種中都不同。蜘蛛的另一個(gè)通用屬性——毒液也是如此。它們產(chǎn)生的毒液混合物最多可由 1000 種不同的化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成。

直到最近，試圖闡明蜘蛛廣泛的適應(yīng)性如何產(chǎn)生的節(jié)肢動(dòng)物學(xué)家，才基于形態(tài)和行為建立了蜘蛛的家族樹。但最近，基因和蛋白質(zhì)研究為蜘蛛生物學(xué)開啟了新的時(shí)代。研究人員對(duì) 3 個(gè)蜘蛛物種——金球織網(wǎng)蜘蛛、非洲絲絨蜘蛛和常見家蛛的完整基因組進(jìn)行了測(cè)序，并且對(duì)很多其他蜘蛛開展了相對(duì)有限的基因和蛋白質(zhì)研究。最新分析凸顯了蜘蛛演化錯(cuò)綜復(fù)雜的路徑，并且引發(fā)人們對(duì)蛛網(wǎng)和毒液復(fù)雜性的關(guān)注。“基因組學(xué)影響了幾乎所有事情。”在阿拉巴馬州奧本大學(xué)研究蜘蛛的 Jason Bond 表示，“它改變了人們可以問的問題類型。”

強(qiáng)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(jìn)行分類。他們還利用了上世紀(jì) 90 年代初興起的分子方法。當(dāng)時(shí)，節(jié)肢動(dòng)物學(xué)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(guān)系。不過，NMNH 進(jìn)化生物學(xué)家 Jonathan Coddington 認(rèn)為，這些分析“從未收到應(yīng)有的效果”。如今，更加強(qiáng)大的基因組工具正開始弄清楚復(fù)雜的關(guān)系。“在多年的努力后，非常合理的家族樹突然間出現(xiàn)了。”康奈爾大學(xué)行為生態(tài)學(xué)家 Linda Rayor 表示。

里程碑出現(xiàn)在 2014 年。喬治·華盛頓大學(xué)蜘蛛分類學(xué)家 Gustavo Hormiga 介紹說，當(dāng)時(shí)，發(fā)表于《當(dāng)代生物學(xué)》雜志的兩份報(bào)告“完全顛倒了蜘蛛的進(jìn)化”。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)比較了來自 40 個(gè)蜘蛛物種的上百個(gè)基因，以構(gòu)建將所有織網(wǎng)者包括在內(nèi)的家族樹。和此前的研究相反，這些分析將金球織網(wǎng)蜘蛛分成兩組并將其放在完全不同的家族樹分支上。產(chǎn)生帶絨毛的黏性纖維的金球織網(wǎng)蜘蛛最終被劃分到包括了很多完全不織網(wǎng)的蜘蛛的分支上。而產(chǎn)生羊毛狀蛛絲的金球織網(wǎng)蜘蛛自成一個(gè)分支。

在隨后的一項(xiàng)研究中，Bond 團(tuán)隊(duì)比較了 70 個(gè)蜘蛛物種的近 3400 個(gè)活性基因。研究發(fā)現(xiàn)，和織網(wǎng)蜘蛛相比，諸如狼蛛、跳蛛等基本不織網(wǎng)且生活在地面上的蛛形綱動(dòng)物以更快的速度走向多樣化。這或許是因?yàn)樗鼈儾辉傩枰椌W(wǎng)后能利用更多新的機(jī)會(huì)。

蜘蛛生物學(xué)家希望從完整的基因組中了解到更多內(nèi)容。丹麥奧胡斯大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家 Trine Bilde 開始對(duì)一種非洲絲絨蜘蛛——隆頭蛛的基因組進(jìn)行分析。這個(gè)物種生活在最多由 1000 只蜘蛛組成的巢穴中，其中大多數(shù)是雌性蜘蛛。它們織出的密集網(wǎng)絡(luò)可捕捉 15 厘米長(zhǎng)的蚱蜢。隆頭蛛是家庭至上者，因此往往只在巢穴內(nèi)繁育后代。這一習(xí)慣再加上巢穴有時(shí)會(huì)很快消失的證據(jù)表明，它們可能有著高度的近親繁殖關(guān)系，從而缺少保護(hù)其他生物基免于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(shí)進(jìn)行的分子研究正在產(chǎn)生一種不同的回報(bào)：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?qū)W家 Cheryl Hayashi 被這些物質(zhì)的分子多樣性震驚。

蛛絲基因編碼擁有多次重復(fù)氨基酸片段的大量蛋白質(zhì)。它們自身是長(zhǎng)的，并且充滿很難破譯的重復(fù) DNA。不過，絲絨蜘蛛、金球織網(wǎng)蜘蛛和家蛛的基因組展現(xiàn)出豐富多樣的蛛絲基因。研究人員已經(jīng)辨別出兩個(gè)針對(duì)大壺狀腺絲（蛛絲的一種）的基因。這種蛛絲在蜘蛛網(wǎng)中形成超強(qiáng)的牽引線，并且為制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(gè)針對(duì)這種蛛絲的基因以及 9 個(gè)編碼其他蛛絲蛋白質(zhì)的基因。

為了解更多，Hayashi 啟動(dòng)了另一個(gè)基因組測(cè)序項(xiàng)目。她和來自賓夕法尼亞大學(xué)的 Benjamin Voight、佛蒙特大學(xué)的 Ingi Agnarsson 以及其他人合作，破譯了金球織網(wǎng)蜘蛛的基因組并描繪了它們的特征。

今年 5 月 1 日，該團(tuán)隊(duì)在《自然—遺傳學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告稱，金球織網(wǎng)蜘蛛的基因組含有 28 個(gè)蛛絲基因 ，其中 8 個(gè)對(duì)于科學(xué)界來說是全新的。研究發(fā)現(xiàn)，基因和蛛絲類型之間并非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并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(wǎng)蜘蛛的一種蛛絲基因甚至在蜘蛛的毒腺中被表達(dá)。

掌握蛛絲的分子基因?qū)W

最新破譯的基因有助于解釋蛛絲屬性的分子基礎(chǔ)。蛛絲基因含有被稱為基序的短 DNA 片段，而基序的數(shù)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(jìn)行比較，Hayashi 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些基序似乎影響蛛絲的強(qiáng)度、彈性和其他特征。

對(duì)這種復(fù)雜性進(jìn)行分類或許能幫助生物工程師更好地理解并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(nèi)保持極高的濃度？”Hayashi 表示，生物化學(xué)家很難回答這些問題。同時(shí)，她和其他人發(fā)現(xiàn)，絲腺含有或許充當(dāng)了分子伴侶并且?guī)椭a(chǎn)生纖維的非蛛絲蛋白質(zhì)。

對(duì)于試圖制造人工蛛絲的研究人員來說，這些發(fā)現(xiàn)是一座金礦。“突然間，我們掌握了蛛絲的分子基因?qū)W。”Coddington 說，“大門打開了。”

研究有著類似復(fù)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(duì)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(dá) 1000 種的不同化學(xué)物質(zhì)，并且差別很大。”位于俄勒岡州的路易克拉克大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家 Greta Binford 對(duì)褐皮花蛛毒液可摧毀身體組織的奇特屬性進(jìn)行了研究。被這種蜘蛛咬過的人患上壞疽病，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)ナ肿恪inford 介紹說，新的基因組和后續(xù)開展的蛋白質(zhì)研究“為確認(rèn)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”。