基因和蛋白质研究为蜘蛛生物学开启新时代

澳大利亚的小孔雀蜘蛛用它多彩的腹部来吸引异性。

资料来源:亚当·弗莱彻/明登影业公司

在展示大自然邪恶的创造力方面，很难打败蜘蛛。以隐居的鬼面蜘蛛为例，它们有着巨大的尖牙和突出的超大眼睛。在整个热带地区，这些八条腿的怪物悬挂在树枝上，在前腿中间支撑起一个可伸展的网，这样它们就能以闪电般的速度覆盖住猎物。相比之下，华丽的孔雀蜘蛛到处炫耀它们的彩虹般的腹部来吸引异性，而它们超大的眼睛可以看到微小的东西和颜色。流星锤蜘蛛擅长模仿。晚上，一只尾巴上有一个粘粘的球的雌性流星锤蜘蛛散发出一种雌性飞蛾的气味来引诱和捕捉雄性飞蛾。

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，在蜘蛛中，“每个物种都有一个不可思议的故事”。蜘蛛产生丝的一般能力有助于解释它们在全球的成功——据估计，除了南极洲，每块大陆上都有90，000种蜘蛛繁衍生息。用来捕捉猎物的蜘蛛网像绳子一样从高处落下，形成蜘蛛的卵囊和庇护所。它们本身具有令人难以置信的多样性，它们的组成在每一种蜘蛛中都是不同的。毒液也是如此，这是蜘蛛的另一个共同特征。他们生产的毒液混合物可以由多达1000种不同的化学物质组成。

直到最近，试图解释蜘蛛的广泛适应性如何产生的关节学家，才根据形态和行为建立了蜘蛛的家谱。但是最近，基因和蛋白质的研究开启了蜘蛛生物学的新时代。研究人员对三种蜘蛛的完整基因组进行了测序，这三种蜘蛛是金球蜘蛛、非洲天鹅绒蜘蛛和普通蜘蛛，并对许多其他蜘蛛进行了相对有限的基因和蛋白质研究。最新的分析强调了蜘蛛进化的复杂路径，并引发了对蜘蛛网和毒液复杂性的担忧。“基因组学几乎影响一切。”亚拉巴马州奥本大学研究蜘蛛的杰森·邦德说，“它改变了人们可以问的问题的类型。”

强大的基因组工具

研究人员试图根据毒牙、性器官的形状以及外表或行为的其他方面对蜘蛛进行分类。他们还利用了20世纪90年代初出现的分子方法。当时，关节学家鉴定出六个短而保守的蜘蛛DNA序列。这些序列在不同种类的蜘蛛之间仍然有足够的差异，使得研究人员能够推断它们之间的关系。然而，NMNH的进化生物学家乔纳森·科丁顿认为，这些分析“从未产生预期的效果”今天，更强大的基因组学工具开始理解复杂的关系。"经过多年的努力，一个非常合理的家谱突然出现了."康奈尔大学的行为生态学家琳达·雷诺说。

里程碑出现在2014年。乔治华盛顿大学的蜘蛛分类学家古斯塔沃·霍米加说，当时发表在《当代生物学》杂志上的两份报告“完全逆转了蜘蛛的进化”。这两个团队比较了40种蜘蛛的数百个基因，建立了一个包括所有织网者的家谱。与之前的研究相反，这些分析将金球蜘蛛分成两组，并把它们放在完全不同的家谱分支上。产生带有绒毛的粘性纤维的金球蜘蛛网最终被分成几个分支，其中包括许多根本不织网的蜘蛛。生产类似羊毛的蜘蛛丝的金球网蜘蛛有自己的分支。

在随后的研究中，邦德的团队比较了70种蜘蛛的近3400个活跃基因。研究发现，蜘蛛纲动物，如狼蛛和跳蛛，它们基本上不织网，生活在地面上，比织网蜘蛛向多样化发展的速度更快。这可能是因为他们不再需要织网后，可以利用更多的新机会。

蜘蛛生物学家希望从完整的基因组中学到更多。丹麦奥尔胡斯大学的进化生物学家Trine Bilde开始分析一种非洲天鹅绒蜘蛛——隆突狼蛛的基因组。这个物种生活在多达1000只蜘蛛的巢穴中，其中大多数是雌性。他们编织的密集网络可以捕捉15厘米长的蚱蜢。狼蛛是一种家庭至上主义者，所以它通常只在窝里繁殖。这种习惯，加上巢有时会很快消失的证据，表明它们可能有高度的近亲繁殖，因此缺乏遗传变异来保护其他生物基础免受这种灭绝。

打开蜘蛛丝研究的大门。

这些最初的基因组和同时进行的分子研究产生了不同的回报:它们帮助打开了蜘蛛丝和毒液研究的大门。美国自然历史博物馆的蜘蛛丝遗传学家谢丽尔·林西对这些物质的分子多样性感到震惊。

蜘蛛丝基因编码大量具有重复氨基酸片段的蛋白质。它们本身很长，充满了难以破译的重复DNA。然而，天鹅绒蜘蛛、金色球体织网蜘蛛和家蜘蛛的基因组显示出丰富多样的蜘蛛丝基因。研究人员已经确定了两个针对壶腹腺丝的基因，壶腹腺丝是一种蜘蛛丝。这种蜘蛛丝在蜘蛛网中形成超强的牵引线，并为商业蜘蛛丝的制造提供灵感。然而，天鹅绒蜘蛛的基因组只揭示了这种蜘蛛丝的10个基因和编码其他蜘蛛丝蛋白的9个基因。

为了了解更多，林开始了另一个基因组测序项目。她与宾夕法尼亚大学的本杰明·沃伊特、佛蒙特大学的英吉·阿格纳尔森以及其他人合作，破译了金球蜘蛛的基因组并描述了它的特征。

今年5月1日，该团队在《自然遗传学》在线版上报道称，金球蜘蛛的基因组包含28个蜘蛛丝基因，其中8个是科学界新发现的。研究发现，基因和蜘蛛丝类型之间没有一一对应关系，一些蜘蛛丝基因似乎有完全不同的功能。例如，金球织网蜘蛛的蛛丝基因甚至在蜘蛛的毒腺中表达。

蜘蛛丝分子遗传学硕士

新解码的基因有助于解释蜘蛛丝特性的分子基础。蜘蛛丝基因包含被称为基序的短DNA片段，不同物种基序的数量和特定序列不同。通过比较遗传差异和蜘蛛丝特性的差异，Hayashi的团队发现这些图案似乎会影响蜘蛛丝的强度、弹性和其他特性。

对这种复杂性进行分类可能有助于生物工程师更好地理解并最终利用蜘蛛丝的非凡韧性和灵活性。“在这些序列中隐藏着许多答案。例如，蜘蛛如何在体内保持非常高的丝液浓度？”Hayashi说生物化学家很难回答这些问题。与此同时，她和其他人发现丝腺含有非蛛丝蛋白，这些蛋白可以作为分子伴侣，帮助制造纤维。

对于试图制造人造蜘蛛丝的研究人员来说，这些发现是一座金矿。"突然间，我们掌握了蜘蛛丝的分子遗传学."柯丁顿说，“大门是开着的。”

研究类似复杂性的蜘蛛毒液的大门也是敞开的。蜘蛛毒液可以提供用于控制昆虫或减轻疼痛的化合物。"毒液混合物含有多达1000种不同的化学物质，并且差异很大."俄勒冈州路易·克拉克大学的进化生物学家格蕾塔·宾福特研究了棕色皮肤蜘蛛毒液的特殊性质，这种毒液会破坏人体组织。被这种蜘蛛咬伤的人会患坏疽，严重时甚至会失去手脚。宾福德说，新的基因组和随后的蛋白质研究“提供了更多的信心来证实我们获得了一系列具有巨大组成差异的毒液”。(宗华编译)