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人类口中的唾液蛋白,竟然和剧毒蛇毒的核心成分源自同一个基因?
一项发表在《BMC Biology》的研究发现,在蛇类和哺乳动物的毒液中发现的一类关键毒素,是从同一个古老祖先基因演化而来的。这项研究不仅追溯了毒素的起源,还揭示了生命在演化之路上惊人的共同起点和重复发生的机制。
毒液通常被称为一系列的有毒蛋白质,其主要功能是杀死或麻痹猎物。在这复杂的混合物中,有一种关键成分被称为激肽释放酶丝氨酸蛋白酶 。研究发现,无论是蛇类、某些蜥蜴,还是少数有毒哺乳动物(如鼩鼱和所罗门齿兽)的毒液中,都含有这类毒素。尽管这些物种所属的谱系在超过3亿年前就已经分道扬镳,但研究人员想知道,它们是否共享一个古老的毒素起源。
激肽释放酶是一种蛋白质降解酶,在哺乳动物(包括人类和老鼠)的唾液中少量存在,但在蛇类和有毒哺乳动物的毒液中,它们已被“武器化”,演化出了强大的毒性。此前,研究人员就注意到蛇毒激肽释放酶与哺乳动物唾液激肽释放酶在生化上具有相似性,但直到最近基因组学方法取得进展,才得以成功识别和比对所有相关基因,绘制出清晰的演化图谱。
通过构建的演化树,蛇毒激肽释放酶丝氨酸蛋白酶(被称为SVSP/SVL)和哺乳动物唾液激肽释放酶(mKLK1,2,3)确实起源于同一个祖先基因。这一发现为先前的一个重要假设提供了强有力的证据:在蛇类和哺乳动物的共同祖先体内,存在一组具有毒性潜力的共同基因。系统发育分析结果显示,爬行动物和哺乳动物的毒素,起源于比非毒素激肽释放酶更接近的同源基因。
研究人员发现,人类和老鼠唾液中那些非毒性的激肽释放酶,竟然也源于与蛇毒和哺乳动物毒素相同的祖先基因。事实上,哺乳动物唾液中非毒性的激肽释放酶,与蛇类发现的有毒素相比,比与哺乳动物体内其他激肽释放酶的亲缘关系更近。这意味着包括人类在内的哺乳动物唾液激肽释放酶蛋白,在演化上具备成为毒素的潜力。演化树清楚地显示,四足动物的组织激肽释放酶(TKLs)在分化后形成了两个谱系,其中一个就是包含“毒潜力基因”的KLK1/2/3-SVSP/SVL谱系。
激肽释放酶的毒性机制在于其能够释放缓激肽,这是一种强效的降压剂。这种分子机制使其具有强烈的血管舒张活性。即使是来自非毒性哺乳动物(如老鼠)的唾液激肽释放酶,在高剂量注射时也能诱发低血压甚至死亡。正是这种控制血压的能力,使得这些基因具备了被毒液系统“武器化”的潜力。
毒液的演化是通过共选来实现的,即利用唾液中已有的、具有毒性潜能的基因和调节机制。这种共享的分子机制和古老的共同历史,促成了毒液在不相关的分类群中多次平行演化。
研究进一步分析了这些基因在不同物种中是如何演化的。与非毒性物种相比,有毒的谱系经历了不同的选择压力。针对毒蜥类和有毒哺乳动物的分析显示,存在间歇性多样化选择的证据。例如,在所罗门齿兽和某些毒蜥分支上,研究发现了支持多样化选择的证据。这表明,生态压力推动了这些“毒潜力基因”的演化,使其毒性增强,提供了捕食优势。
然而,这并不意味着人类或老鼠会很快演化出毒液。拥有演化出毒液的“构建模块”,并不代表它一定会发生。制造和使用毒液在能量上消耗巨大,因此只有在存在强大的生态压力,并且这种能力能够提供显著的适应性优势时,演化才会发生。对于人类和大多数哺乳动物来说,并不存在这种强大的生态压力。
最终,这项研究证明了哺乳动物和爬行动物的毒素,是通过对同一个祖先基因家族的反复征用而多次平行演化产生的。这强调了古老的保守分子机制和构建模块,可以持续作为适应性新颖性的来源,使得生命的历史进程不断重演。 |
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