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2022-02-16 18:02

一种来自北美的蜘蛛,学名为海蜘蛛。

小蜈蚣

蜘蛛有八条腿,复数个眼睛,一个甲壳质外骨骼覆盖在身体上,可以在腹部的中部或下部纺出各种蜘蛛丝。最不可思议的是,蜘蛛有非常特殊的毒液。蜘蛛利用带有小孔的尖牙,将毒液注入猎物体内,直接关闭猎物的中枢神经系统,使其瘫痪或死亡。然后,蜘蛛可以把猎物的内脏变成糊状,然后吮吸并享用。

多年来,蜘蛛毒液的来源一直困扰着生物学家。与蛇和蜥蜴的毒液不同,蜘蛛、蜈蚣等节肢动物的毒液从何而来,至今仍是一个科学之谜。蛇和蜥蜴的毒液在进化上可以追溯到单个物种,而节肢动物的毒液涉及许多祖先,类似的化学毒素来自许多不同的遗传路径。了解这些路径不仅具有学术意义,还可以利用毒液中的化学物质开发新的农药和药物。在最近的《结构》(结构)杂志上,科学家发表了一项新的研究成果,解答了几种节肢动物(包括蜘蛛和蜈蚣)的毒液之谜。

当谈到毒液时,我们实际上是指毒液中含有的有毒化学物质。麻省大学洛厄尔分校的进化生物学家杰西卡加尔布(Jessica Garb)说:“它们的生化成分非常复杂。”Garb不是上述新研究的作者,但毒素研究是她的专长。更具体地说,毒素可以是蛋白质、肽(短链氨基酸)或攻击其他活生物体细胞功能的其他分子。(科学家仍在研究毒液中其他成分的功能,其中一些成分可能用于软化组织,使毒素发挥作用。我们无法判断这些成分是不是蜘蛛用来消化猎物内脏的酶。)

研究人员普遍认为,毒素会侵入神经细胞外的特殊结构,这些结构原本是用来与其他神经元——和肌肉与器官——沟通的。这些结构对生物体的正常运转具有重要意义。通过离子通道的开闭,细胞内的物质可以流出外部。随着受体的转运,外界环境中的分子也可以进入细胞。然而,毒液侵入了这个网络,终止了细胞之间的通讯,导致生物体瘫痪和死亡。

在节肢动物中,由于毒素分子的折叠,很难追溯毒液的来源。然而,不久前,科学家发现蜘蛛毒液中的肽毒素实际上是一个更大的生物家族的一部分。这些物质最初是在——种甲壳类动物、螃蟹和龙虾中发现的。

从生物学特征上看,似乎很难发现蜘蛛和螃蟹之间的联系,但它们其实是相当近的亲戚。“离子转运肽/甲壳类高血糖激素”控制蜕皮、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中液体的相对浓度以及胰岛素的释放。胰岛素可以将碳水化合物转化为糖。

这也是新研究的起点。问题是,这些消化糖分的有益激素是怎么变成毒素的?在这项研究中,科学家利用DNA重组技术追踪一种肽。作者格伦金是昆士兰大学的结构生物学家,他说:“我们只是用大肠杆菌复制了当地蜘蛛和蜈蚣的毒素。”他们利用先进的显微放大技术进行结构分析,确定这种毒素与自然产生的毒素完全一致。他们还对绿脓杆菌进行了测试,结果显示重组毒素具有同样的功效。

蜘蛛和蜈蚣的毒素只有22%的遗传物质相同,但它们的结构和功能相同。因为这些毒素如此特殊,科学家把它们归为一个新的类别:手毒素。手是有益关节炎的缩写——神经肽衍生的。在基因水平上,手毒素不同于ITP/CHH毒素,因为它缺少单螺旋键。

加尔布说:“问题是我们不知道这些手部毒素的特殊机制。”受到毒素攻击的细胞表面结构仍然难以观察,因此科学家可能需要很长时间才能了解这一过程。然而,随着研究人员对基因结构的探索越来越深入,他们可能很快就会发现毒素来自哪里。

科学家在各种蜘蛛和蜈蚣中寻找手部毒素及其前体激素的痕迹。对于每个生物家族中的不同物种,科学家分析是否存在一种或两种激素,然后比较不同物种之间的进化关系。最后,他们计算了手毒素的前体激素成为致命武器的大概时间。

科学家认为,这种变化(在蜘蛛和蜈蚣中)发生在过去1.4亿年的某个时候(大约与开花植物出现和长脖子蜥脚类动物漫游地球的时间相同)。手毒素的激素前体—— ITP/CHH 3354的来源是相当不同的。蜘蛛中的ITP/CHH出现在约4.1亿年前,蜈蚣中的则出现在约2.5亿年前。

“我们的工作表明,数亿年前,蜘蛛和蜈蚣将(前体)激素放入毒液中,”格伦金写道。“我们不知道为什么。”根据一种理论,一些祖先物种的成员具有这些前体激素,它们的叮咬会对猎物造成伤害。随着时间的推移,这种激素的毒性越来越强。

“它们不再具 有最初的激素功能,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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