最新模型定义蛇毒进化 剧毒蛋白质进化于无毒基因

凤凰科技讯 北京时间12月10日消息，据科学日报报道，目前描绘蛇或者蜥蜴嘴巴内部主要基因的科技改变了科学家们将动物定义为有毒的方式。如果口腔腺体能够表达与“毒素”相关的20个基因家族中的一些基因，那么这个物种就被定义为有毒。然而，美国德克萨斯大学阿灵顿分校的一项最新研究挑战了这一定义，这些研究还建立了一个描述蛇毒是如何产生的新模型。这项发表在期刊《分子生物学和进化》上的研究是基于对黄金蟒，也称缅甸蟒（Python molurus bivittatus）不同部位的组织里相关基因或“基因家族”的对比分析。

剧毒蛋白质进化于无毒基因

由美国德克萨斯大学阿灵顿分校生物学助理教授托德·卡斯托(Todd Castoe)带领的研究小组——其中还包括来自美国科罗拉多大学和英国的研究人员——发现蟒蛇口腔腺体里包含的所谓毒素基因家族水平与蟒蛇大脑、肝、胃和其它器官组织里相同基因的水平非常相似。科学家们表示这项发现展示了蛇毒基因在进化成蛇毒之前的功能。它还显示了蛇或者蜥蜴口腔腺体里这类与蛇毒相关的基因的表达尚不足以完全定义一个物种是否有毒。

“对蛇毒的研究非常普遍，因为它对治疗和理解毒蛇咬伤，以及潜在的将蛇毒应用于药物研发非常重要。然而，在此之前所有的研究都关注于毒腺，也就是蛇毒在被释放之前所产生的部位。” 卡斯托说道。“至于蛇身体其它部位究竟发生了什么，目前并没有确切的研究。这是首项利用蛇毒基因组研究蛇身体其它部位的研究。”

了解蛇毒的进化可以帮助科学家们研发更好的抗蛇毒素并提供人类基因进化的知识。卡斯托表示随着基因分析能力的提升，科学家们发现了越来越多证据支持一项长久的理论。这一理论认为剧毒蛋白质进化“产生”于无毒基因，这些基因在身体其它部位具有普通的功能，例如调节细胞功能或者消化食物。

“这些结果显示了基因或者之前被解译为‘毒素基因’的转录基因可能只是普通的“家政”基因，主要参与维持很多组织正常的新陈代谢。”研究合作作者、美国北科罗拉多大学生物学教授史蒂芬·麦克西(Stephen Mackessy)这样说道。“我们的结果还表明，蛇毒和蛇毒递送系统并非有单一的古老起源，而是从好几个单独的爬行动物血系里独立进化而成的。”

卡斯托是2013年一项描绘黄金蟒基因组研究的首席作者。蟒蛇并没有被定义为有毒，即使它具备某些在其它物种中进化成蛇毒的相同基因。而其中的差别在于，毒蛇，例如响尾蛇和眼镜蛇，的蛇毒基因家族被扩展得具有多个这种基因的副本，而某些副本进化成可以产生剧毒蛋白质的基因。

“在蛇毒基因家族扩展并重新分工之前，无毒蟒蛇从已经从蛇类进化树中分离出来。因此蟒蛇代表了一扇窥探蛇毒进化之前蛇类的窗户。” 卡斯托解释道。“研究它将帮助我们描绘很多脊椎动物，包括人类身上这些基因家族是如何进化成致命毒素编码基因的画面。”

卡斯托实验室的研究生雅克伯·雷耶斯-贝拉斯科（Jacobo Reyes-Velasco）是这项最新研究的首席作者。其它合作作者还包括德克萨斯大学阿灵顿分校生物学学院的达仁·卡德（Daren Card）、奧德拉·安德鲁（Audra Andrew）、凯尔·谢恩伊（Kyle Shaney）、理查德·亚当斯（Richard Adams）和德鲁·施尔德（Drew Schield），以及英国利物浦热带医学院的尼古拉斯·卡斯韦尔(Nicholas Casewell)。

研究小组调查了蟒蛇、眼镜蛇、响尾蛇和毒蜥（Gila monster）共享的24个与蛇毒有关的基因家族。蛇毒进化的传统观点是它是蛇和蜥蜴进化过程中某个时间点发展而成的一个核心蛇毒系统，这就是著名的Toxicofera演化支假说，而剧毒蛇类，也被称为高级(Caenophidian)蛇的进化发生在这一演化支之后。至于进化为什么从25000多个基因中选择24个基因形成高度剧毒的编码基因，目前的解释非常匮乏。

“我们相信这项研究将为未来研究提供重要的基准线，帮助蛇毒研究人员更好的理解导致蛇毒里毒性分子混合物的产生的过程，并定义对于杀死猎物和在人类蛇毒咬伤患者身上出现的病理学至关重要的分子。”

在研究蟒蛇物种时，研究小组发现了与蛇毒有关的基因家族存在好几个与其它基因不同的共同特征。与其它蟒蛇基因家族相比，蛇毒基因家族“整体表达水平较低，只在非常少的组织里具有中等以上的表达水平，且在所有组织里基因表达水平呈现最大的变异性。” 卡斯托表示。

“进化似乎是基于基因表达的位置（或者是否表达），以及表达的程度来选择进化成蛇毒的特定基因。” 卡斯托解释道。基于这些数据，最新研究提出了一个包含蛇毒进化三步骤的新模型。首先，这些潜在有毒的基因默认出现在口腔腺体里，因为它们虽然表达水平较低，但在整个身体里的表达较为一致。其次，由于自然选择这些基因在口腔腺体里的表达是有益的，因此口腔组织里这些基因的表达水平比身体其它部分要更高。最后，随着蛇毒进化的越来越有毒，这些基因在其它器官里的表达逐渐降低，从而限制这些毒素在其它身体组织里的分泌产生潜在的有害效应。

研究小组将这一模型称为逐步中间近中性进化补充（SINNER）模型。他们表示蛇和其它动物里不同的蛇毒水平或可以追溯到不同物种或者同一物种不同基因从SINNER模型开始到结束的连续统一过程中出现的变化性。

卡斯托表示研究的下一步将是调查剧毒蛇的基因组，以调查SINNER模型的可靠性。就目前而言，卡斯托和他的研究小组希望这些发现能够改变将物种定义为有毒的方式。“什么是蛇毒，以及什么物种是有毒的，需要更多的证据来界定。这些发现提供了我们观察蛇类口腔腺体时应该思考的问题的全新视角。”（编译/严炎刘星）