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蜘蛛基因为蛛形纲动物的强效毒液,惊人的丝绸

2019-04-09 11:44:56 资讯134℃

  蜘蛛基因为蛛形纲动物的强效毒液,惊人的丝绸和令人惊讶的历史带来了新的旋转

  为了展示大自然的恶魔般的创造力,很难击败蜘蛛。采取隐居的食人魔蜘蛛,其大的尖牙和凸出的超大中间眼睛。在整个热带地区,这些八条腿的怪物悬挂在树枝上,一条可伸展的丝网在它们的前腿之间伸展,因此它们可以快速地将它们施放在受害者身上。相比之下,艳丽的孔雀蜘蛛炫耀着彩虹色的腹部以吸引配偶,而他们超大的眼睛辨别出精细的细节和颜色 - 更好地看到两个支撑着的伙伴和毫无防备的猎物。 Bolas蜘蛛,以绳索和重量制成的南美武器命名,专门模仿。到了晚上,雌性野猪在其末端挥动着一条带有粘球的丝线,同时散发出雌性蛾的气味以引诱和捕杀雄性蛾。

    

    

      特别套餐:蜘蛛的新旋转

    

    

            

                    

    

          

                

      

      

        

              

          将蜘蛛丝纺成初创金

        

        

        

                  

    

    

    

            

                    

    

          

                

      

      

        

              

          图:一个微调器的秘密

        

        

        

                  

    

    

    

            

                    

    

          

                

      

      

        

              

          蜘蛛,近距离和个人

        

        

        

                  

    

    

    

        在蜘蛛中,“每个群体都有一个奇怪的故事,”华盛顿史密森学会国家自然历史博物馆(NMNH)的蜘蛛研究员汉娜·伍德说,“制造丝绸的普遍能力有助于解释他们的全球成功 - 估计除南极洲外,每个大陆都有90,000种物种茁壮成长。这种物质用于捕捉猎物,从高处垂降,建造蛋壳和住宅,本身就是多种多样的,它的化妆品种也各不相同。毒液也是如此,另一种普遍存在蜘蛛属性 - 每种物种都会产生多达1000种不同化合物的不同混合物。

  直到最近,蜘蛛科学家试图揭示蜘蛛“如何根据形态和行为建立家庭树木。”然而,基因和蛋白质的研究开启了蜘蛛生物学的新时代。研究人员对三种物种的全基因组进行了测序。 - 黄金球形织布工,非洲社交天鹅绒蜘蛛和普通家蜘蛛 - 并且对许多其他人进行了更有限的遗传和蛋白质研究。分析突出了蜘蛛进化的纠缠路径,使蜘蛛的复杂性成为焦点丝绸和毒液,并建议以分子为基础的方法来研究这些动物的行为。 “基因组学几乎影响了所有事物,”在阿拉巴马州奥本大学研究蜘蛛的杰森邦德说。 “它改变了人们可以提出的各种问题。”

  生物学家很大程度上基于化石证据和保存在琥珀中的标本,很久以前得出结论,蜘蛛是一种多腿的蝎子状祖先的后代,这种祖先在3.8亿年前长尾但看起来像蜘蛛状,甚至可能有丝腺。化石显示,3亿年前,有八条腿的生物出现了蜘蛛状口部,原始的丝腺和粗壮的腹部。那些腹部仍然是分段的,没有像今天的蜘蛛一样被融合。但是之后发生的蜘蛛多样性爆发所发生的事情是神秘的。

    

      

      

            

    

    

    

        今天,分类学家认识到三个蜘蛛群。 Mygalomorphae地面栖息生物的特征是指向直下的尖牙 - 包括大约2500种,包括狼蛛和所谓的活板门和漏斗网蜘蛛。另一组Liphistiidae由97种物种组成,其中许多物种也构建了捕获猎物的陷阱门。第三组,Araneomorphae,包括5500个跳跃蜘蛛,4500个矮蜘蛛,2400个狼蛛和数千个网状旋转器。

  在这三组中,研究人员试图通过他们的尖牙方向,性部位的形状以及它们的外观或行为的其他方面对物种进行分类。他们还从20世纪90年代早期开始采用分子方法,当时技术人员发现了六个短的,保守的蜘蛛DNA序列,这些序列在物种之间仍有足够的变异来获得关系。 NMNH进化生物学家Jonathan Coddington说,然而这些分析“从来没有真正起作用”。现在,更强大的基因组工具开始理解纠结。康奈尔大学(Cornell University)的行为生态学家琳达•雷奥尔(Linda Rayor)说:“经过多年的努力,突然之间相当合理的[家谱]出现了。”

  2014年是一个里程碑,当时生物学的两篇报道“将蜘蛛的进化颠倒过来,”华盛顿特区乔治华盛顿大学的蜘蛛系统专家古斯塔沃·霍尔米加说,他共同领导了其中一项研究。两个团队没有使用通常的一小组DNA标记,而是比较了来自多达40种蜘蛛物种的数百种基因,以构建包含所有网络构建者的家谱。与早期研究相反,分析将orb编织者,即制作经典螺旋网和蜘蛛网的许多蜘蛛物种分成两组,并将它们放在树的非常不同的分支上。产生模糊,粘性纤维的球形织物称为cribellate丝,最终出现在树的一部分中,其中包括许多根本不制造网状物的蜘蛛,而制作粘性丝的球形织物则在它们自己的树枝上。

  意外分手有两种可能的解释。织造网中使用的行为,身体结构和材料都进化了两次,或者网络能力在两个分支的共同祖先中进化得更早,并且在断裂的网状织工“分支”上的许多物种中丢失.Bond,领导另一项研究,认为在一个共同的祖先中,orb编织更有可能只进化一次。

  在一项后来的研究中,比较了70种蜘蛛物种中近3400种活性基因,邦德的研究小组发现,大多数无蜘蛛,地面栖息的蛛形纲动物如狼蛛和跳蛛等蜘蛛的繁殖速度远远快于网络编织者,可能是因为它们能够利用一旦他们不再需要建立和倾向于网络,就会有太多的新机会。“一旦我们摆脱了orb网络,我们就会看到一些最大规模的物种形成,”邦德说。

    

    

    

    

        

    

        

        

        

                    

              

    

        被称为食人魔的蜘蛛因为它们的外表而被称为狩猎技术的网状蜘蛛蜘蛛。

    

            

                            

              

    

        EMANUELE BIGGI / MINDEN PICTURES

            

                

      

    

    

    

    

        这种多样化发生在大约1亿年前,他和他的同事于2016年2月16日在PeerJ报道,大约同时爆发的非飞行昆虫可能成为地面蜘蛛的猎物。邦德说,这种遗传比较“正在改变我们对蜘蛛进化的理解。”

  蜘蛛生物学家希望从完整的基因组中学到更多东西。但是,蜘蛛基因组“一直是一个难以破解的难题,”马萨诸塞州洛厄尔大学的进化生物学家和遗传学家Jessica Garb说。基因组很大 - 有些超过人类基因组 - 并且充满了重复的DNA。此外,蜘蛛与其基因组已被测序的大多数其他动物并不密切相关,因此很难将这些参考文献拼凑在一起并分析蜘蛛基因组。总的来说,从来没有为蜘蛛研究提供过多的资金。对于一些动物群体 - 例如鸟类 - 数百个基因组已被测序,只有四个蜘蛛基因组甚至被部分破译。

  丹麦奥胡斯大学的进化生物学家Trine Bilde率先开展了第一个基因组计划,作为她研究非洲社交天鹅绒蜘蛛(Stegodyphus mimosarum)繁荣与萧条生活的一部分。这种物种生活在巢中,有多达1000个人,大多数是雌性,旋转密集,米尺寸的网状物能够捕获长达15厘米的蚱蜢。蜘蛛是家庭主体,因此往往只在其殖民地内繁殖。这种习惯,加上殖民地有时很快死亡的证据表明它们可能是高度近亲繁殖的,缺乏保护其他生物免受这种死亡的遗传变异。然而,这些物种也在各种温度和湿度下茁壮成长。

  Bilde认为天鹅绒蜘蛛的基因组能够提供动物社会行为的线索以及它的弹性和脆弱性的奇怪组合,因此她的团队和中国测序巨头BGI开始对其DNA进行测序,相比之下,狼蛛。研究人员预计近亲繁殖会减少个体之间的遗传变异,这将使社交天鹅绒蜘蛛的基因组更容易完成。令他们惊讶和沮丧的是,基因组结果显示包含很长的非编码和重复DNA,这使得难以完成将测序机产生的短读数拼凑在一起。狼蛛基因组甚至更差 - 重复区域的两倍大,甚至更丰富。然而,凭借重要的计算机能力,它们最终能够将社交天鹅绒蜘蛛拼接在一起。

   基因组,虽然他们无法组装一个令人满意的狼蛛版本。

  这些基因组只是开始探索天鹅绒蜘蛛的社会行为及其适应性.Bilde的团队还计划研究生活在不同环境中的天鹅绒蜘蛛种群,以检查其微生物组或所谓的表观遗传的变化。变化 - DNA的化学修饰 - 帮助动物应对各种变化的条件。

  与此同时,这些第一个基因组 - 以及不太雄心勃勃的分子研究 - 正在产生不同的回报:它们正在帮助打破丝绸和毒液研究。 Cheryl Hayashi是纽约市美国自然历史博物馆的蜘蛛丝遗传学家,她对这些物质的分子多样性的了解激动不已。 “我觉得我很幸运能够在这个时候工作,”她说。

    

    

    

    

        

    

        

        

        

                    

              

    

        当迷宫蜘蛛感觉到振动时,它会冲出来捕捉猎物,然后撤退进入它的土布隧道。

    

            

                            

              

    

        ALEX HYDE / MINDEN PICTURES

            

                

      

    

    

    

    

        丝绸基因编码极大的蛋白质,其氨基酸段重复多次,它们本身很长并且充满了难以破译的重复DNA。但天鹅绒蜘蛛基因组,以及天体织布机和房子的基因组。 Coddington说,蜘蛛已经暴露了一种意想不到的各种丝绸基因 - “比我们想象的要多得多。”研究人员已经确定了两种被称为主要壶腹的丝绸基因,这种基因形成了固定网状物的超强牵引线。为了使蜘蛛丝在商业上做出重大努力的灵感(参见第293页)。然而,社交天鹅绒蜘蛛的基因组揭示了10种基因,仅用于那种丝绸和其他9种基因用于额外的丝蛋白。

  为了寻求更多,Hayashi开始了其他基因组努力之一。在她的职业生涯早期,她已经克隆了Flag基因,该基因编码鞭毛状丝,即天体编织者在其网状物的昆虫捕获螺旋中使用的弹性细丝。 Hayashi回忆说,这项任务需要花费数月时间,并且“不适合胆小的人”。因此,她很高兴与宾夕法尼亚大学的Benjamin Voight,伯灵顿佛蒙特大学的Ingi Agnarsson以及其他人一起破译和描述黄金球形织物(Nephila clavipes)的基因组。

  该研究小组于5月1日在“自然遗传学”网络版上报道,该基因组包含28个丝绸基因,其中8个是科学新手。 “在过去,我们认为我们可以定义一个物种中的所有丝绸基因,这将是少数,我们可以说,这是特定种类丝绸的基因,”“Hayashi说。”但它事实证明它并非那么简单。基因和丝绸类型之间不仅没有一对一的关联,而且一些丝绸基因似乎已经获得了完全不同的功能。其中一个orb weaver的丝绸基因甚至在蜘蛛的毒液腺中表达。

  Hayashi和她的同事现在正在进行基因研究,以了解蜘蛛是如何制作丝绸的。典型的orb编织蜘蛛有许多丝腺分为七种类型;每种类型的腺体都会产生特定的蛋白质混合物,当它通过蜘蛛的一个喷丝头挤出时形成一种独特的丝绸.Hayashi和她的同事最近发现哪些丝绸基因在每个金色的球体中都有活性。韦弗的七种腺体。他们还研究了丝腺和蜘蛛网编织蜘蛛的其他组织中类似基因的活动,这是蜘蛛编织者的一个子集,它构建3D网而不是扁平网。研究小组于8月21日在科学报告中报告说,他们发现了209种潜在的丝绸和胶水成分。 “这令人难以置信,”Hayashi说。

  新破译的基因有助于解释蜘蛛丝属性的分子基础。丝基因含有称为基序的短链DNA,它们在物种数量和精确序列之间不同。通过比较遗传差异与丝绸特性的差异,Hayashi的团队发现这些图案似乎影响力量,弹性和其他特征。

  排除这种复杂性可能有助于生物工程师更好地理解并最终利用丝绸的显着强度和灵活性。在这些序列中,有一些问题的答案,例如,蜘蛛如何将丝液保持在体内极高的浓度“Hayashi指出。”生物化学家很难做到这一点。例如,她和其他人发现丝腺含有非乳脂蛋白,可以作为分子伴侣来帮助生产纤维。

  对于试图制造人造丝的研究人员来说,这些发现是一个金矿。 “突然之间,我们可以做丝绸的分子遗传学,”科丁顿说。 “门是开着的。”

  对于同样复杂的蜘蛛毒液世界,门也开着,这可能提供用于控制昆虫或缓解疼痛的化合物。 “毒液鸡尾酒真的很丰富;它们可以含有多达1000种不同的化学物质,混合物变化很大,”俄勒冈州波特兰市刘易斯克拉克学院的进化生物学家格雷塔宾福德说,他研究了不寻常的组织破坏特性。棕色隐士蜘蛛的毒液。 (被咬的人可能会发生严重的坏疽,他们可能会失去肢体。)她指出,新的基因组和后续蛋白质研究“让我们更有信心,我们正在捕获一套全面的毒液。”

    

    

    

    

        

    

        

        

        

                    

              

    

        澳大利亚的小孔雀蜘蛛摆动他们丰富多彩的腹部以吸引配偶。

    

            

                            

              

    

        ADAM FLETCHER / MINDEN PICTURES

            

                

      

    

    

    

    

        甚至在最近的基因组工作之前,研究人员已经描述了黑寡妇毒液的一些成分,确定了两个看似独特的蛋白质家族:作用于神经元的毒素;和latrodectins,其在毒液中的作用仍不清楚。 (两者都是以黑寡妇属Latrodectus命名的。)黑寡妇基因组可能含有更多毒素的基因,但事实证明,将所有DNA序列拼凑在一起非常困难。因此,她和她的同事们在一个关闭的Latrodectus亲属的基因组中寻找毒液基因,这是一种常见的家蜘蛛Parasteatoda tepidariorum,于7月31日由牛津布鲁克斯大学的Alistair McGregor领导的BMC Biology报道。英国。

  虽然家蜘蛛的咬伤并不像黑寡妇那样痛苦,但Garb和她的同事们惊讶地发现它的毒液一共沸腾了47种毒素,他们于2月16日在BMC Genomics上透露。所有这些都与黑寡妇毒液中的所有不同。该发现“暗示[蜘蛛家族]正在以一种非常动态的方式发展,”Garb说。例如,黑寡妇制造α-latrotoxin,它特异性地攻击脊椎动物神经细胞,但家蜘蛛没有。 Garb建议,这种毒素可能已经在黑寡妇中进化,因为它们足够大,可以构建能够捕获小蜥蜴和其他猎物的网状物。

  该分析还支持了一种挑衅性的观点,即当一种细菌侵入其祖先的细胞并遗留其部分DNA时,Latrodectus的成员获得了它们的神经毒素。通过基因组数据库进行梳理,发现与家蜘蛛的毒素基因最接近的已知匹配是细菌基因。 “理解毒液进化的动力学将帮助我们不仅改进我们对新药物和疗法的搜索,而且还帮助我们理解进化如何产生化学新奇,”宾福德说。

  在蜘蛛中,丝绸和毒液是两个关键的化学新奇事物。但蜘蛛有其他令人印象深刻和独特的适应性。孔雀蜘蛛和其他跳跃的蜘蛛使用内部液压泵而不是腿部肌肉来跳跃其体长的30倍。随地吐痰的蜘蛛从它们的毒液腺中喷出丝滑的胶水,将其他较大的蜘蛛钉在腿上。非洲沙蜘蛛可以存活一年,没有食物或水。

  蜘蛛基因组的大小和复杂性意味着新的序列以及关于这些特征的启示将会很慢。但就像他们研究的患者掠食者一样,蜘蛛研究人员愿意等待。他们说,基因组学的回报将及时到来。 “蜘蛛系统学,蜘蛛进化和生态学,甚至是蜘蛛行为,由于基因组复杂性而滞后多年,”邦德说。 “那改变了。 Arachnology开始达到成熟水平。“

  *更正11月2日,下午2:30:这个故事的早期版本错误地描述了当粘性准确时,一些天体编织者的丝绸。

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