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杀手的演化蜘蛛毒液从何而来-【新闻】

发布时间:2021-05-24 07:45:26 阅读: 来源:顶管厂家

杀手的演化蜘蛛毒液从何而来?北美的一种蜘蛛,学名为Eratigena agrestis

少棘蜈蚣

据国外媒体报道,蜘蛛长有8条腿,复数的眼睛,身体覆盖着几丁质外骨骼,在腹部中间或下端还能纺出各种各样的蛛丝,而不可思议的是,蜘蛛具有非常特别的毒液。利用具有小 、孔的尖牙,蜘蛛将毒液注入猎物体内,直接关闭猎物的中枢神经系统,使它们麻痹或死亡。紧接着,蜘蛛就可以将猎物的内脏化为糊状物,然后吸食享用。

多年以来,蜘蛛的毒液起源问题一直令生物学家感到困惑。与蛇和蜥蜴的毒液不同,蜘蛛、蜈蚣等节肢动物的毒液究竟从何而来,至今依然是科学上的不解之谜。蛇与蜥蜴的毒液在演化上都可以追溯到单一的物种,而节肢动物的毒液则涉及到多个祖先,相似的化学毒素来 自多个不同的遗传路径。弄明白这些路径不仅具有学术意义,而且可以利用毒液中的化学物质进行新型杀虫剂和新型药物的研发。在近日的《结构》(Structure)杂志中,科学家发表了一项新的研究结果,对几种节肢动物(包括蜘蛛和蜈蚣)的毒液谜题进行了解答。

当谈到毒液的时候,我们其实是指这些毒液中含有的有毒化学物质。麻省大学洛威尔分校的演化生物学家杰西卡加尔布(Jessica Garb)说:从生物化学组成上,它们非常复杂。加尔布并非上述新研究的作者,但毒素研究是她的专长。更 确切地说,毒素可以是蛋白质、肽(短链的氨基酸),也可以是其他攻击其他生命体细胞功能的分子。(科学家仍然在研究毒液中其他成分的功能,有些或许是用来 软化组织,以使毒素发挥作用。我们还无法判断这些成分是否就是蜘蛛用来消化猎物内脏的那些酶。)

研究者普遍认为,毒素会侵入神经细胞外部的特殊结构,这些结构原本是用于与其他神经元以及肌肉和 器官进行交流的。这些结构对于生物体的正常运作有重要意义,通过离子通道的开合,细胞内部物质得以流出外部;而利用受体的运输,外界环境中的分子也能 进入细胞内部。然而,毒液侵入了这一网络,终止了细胞之间的通讯,结果便导致生物体麻痹和死亡。

在节肢动物中,由于毒素分子折叠的方式,使得对毒液起源的追溯变得困难起来。不过,就在不久之前,科学家发现蜘蛛毒液中的肽毒素其实是一个更大的生物学家族的一部分,这些物质初是在甲壳类螃蟹和龙虾等体内发现的。

从生物学特征上,我们似乎很难找到蜘蛛和螃蟹的联系,但它们实际上是相当近的亲戚。离子转运肽/甲壳动物高血糖激素控制着诸如蜕壳、眼柄生长和器官发育等过程。在人类和其他脊椎动物中,类似的激素控制着细胞和器官内部液体的相对浓度,以及胰岛素的释放。胰岛素能将碳水化合物转化成糖。

这也正是新研究的切入点。问题在于,这些有益的、消化糖类的激素如何变成了毒素?研究中,科学家利用DNA重组技术,对一个肽进行了追踪。研究作者、昆士兰大学的结构生物学家格伦金(Glenn King)说:我们只是利用大肠杆菌对本地蜘蛛和蜈蚣的毒素进行了复制。他们利用先进的显微放大技术进行结构分析,确定这种毒素与天然产生的毒素完全一致。他们还在铜绿蝇身上进行了测试,表明重组得到的毒素具有同样的效力。

蜘蛛和蜈蚣的毒素只分享了22%相同的遗传源材料,但它们却具有相同的结构和功能。正因为这些毒素如此特别,科学家将它们归入一个新的类别:HAND毒素。HAND是Helical Arthropod-Neuropeptide-Derived的缩写。在遗传学水平上,HAND毒素由于缺少一个单螺旋键,从而与ITP/CHH毒素区别开来。

加尔布说:问题是,我们不知道这些HAND毒素起作用的特殊机制。受到毒素攻击的细胞表面结构还很难进行观察,因此科学家可能还需要相当长时间,才能弄明白其中的过程。不过,随着研究者对遗传结构的探索越来越深入,他们或许能很快搞清楚毒素从哪里来。

科学家在多种蜘蛛和蜈蚣体内搜寻HAND毒素及其前体激素的踪迹。针对每个生物家族中的不同物种,科学家对是否存在某一种或某两种激素的情况进行了分析,然后比较各个物种之间的演化关系。终,他们计算出了HAND毒素的前体激素变成致命武器的大概时间。

科学家认为,这一转变(在蜘蛛和蜈蚣体内)发生在过去1.4亿年间的某个时期(大约相当于有花植物出现,及长脖子的蜥脚类恐龙在地球上漫步的时候)。HAND毒素的激素前体ITP/CHH的起源则有较大差异,蜘蛛体内的ITP/CHH大约在4.1亿年前出现,而蜈蚣体内的出现于2.5亿年前。

我们的工作显示,数亿年前,蜘蛛和蜈蚣将(前体)激素放入了毒液之中,格伦金写道,我们不知 道为什么。一个理论称,祖先物种的一些成员具有了这些前体激素,它们的叮咬会对猎物造成伤害。随着时间推移,这种激素的毒性变得越来越强,它们不再具 有初的激素功能,而是变成了强力的神经毒素。我们并不知道这些无毒的激素如何变成毒素,但随着显微镜学等技术的发展,生物学家或许能更进一步观察到细 胞离子通道和受体的结构,从而给出问题的答案。

了解蜘蛛和蜈蚣的毒素如何起作用还将有助于人类的医学发展。药理学家已经发现,蜘蛛毒液所作用的离子 通道,很可能正是用来治疗疼痛、癫痫、躁郁症和抑郁症等疾病的靶心。另一方面,想到长时间的演化压力能将一种无害的代谢化学物质转变成神经毒素,着实也是 十分奇妙的事情。

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