响尾蛇能“定制”编码毒液蛋白的基因

在响尾蛇和它们的猎物之间的进化军备竞赛中，啮齿动物、鸟类和其他爬行动物为了生存，对响尾蛇的致命毒液产生了抵抗力。但是由科罗拉多大学博尔德分校和德克萨斯大学阿灵顿分校领导的一项新研究揭示了蛇是如何保持优势的:它们拥有广泛而多样的基因工具，这些基因可以编码蛇毒，使它们能够适应当地猎物和环境的变化。

这项研究结果发表在今天的《Nature Ecology & Evolution》，这有助于解释响尾蛇是如何在数百万年的时间里跟上猎物对毒液的抵抗力进化的。这项研究推翻了几十年来关于影响蛇毒基因进化和蛇毒变异的因素的思考，并揭示了为什么开发有效的抗蛇毒血清治疗蛇咬伤仍然如此具有挑战性。

该论文的第一作者、科罗拉多大学博尔德分校生态学和进化生物学博士后Drew Schield说:“我们发现这些响尾蛇的毒液种类更多样，工具包中有更多的基因工具，这比它们的毒液成分所显示的要多。”

蛇毒是一种进化适应，由不同的酶和毒素组成，使蛇能够捕捉猎物。几十年来，生物学家一直认为，捕食者和猎物之间的共同进化将使蛇毒变得高度专一:毒液进化以有效地杀死特定的猎物，而未被使用的毒液基因的遗传多样性在这个过程中消失。在进化生物学中被称为“定向选择”，这个过程就像一把锋利的刀——当武器变得更致命时，它在这个过程中失去了一部分自身。

这项新研究提出，相反，“平衡选择”是起作用的机制，是一个基因的多个版本——在这种情况下，编码毒液蛋白的基因——保持而不是消除的进化过程。这可能是蛇如何阻止自己进入进化死胡同的关键。

“这些抵抗机制在猎物身上的存在让我们想知道:如果有选择压力强加给蛇，那么从进化的角度来说，拥有一个更大的毒液库可能是有意义的，”Schield说。

响尾蛇捕食多种动物，包括老鼠、田鼠、鸟类和蜥蜴，随着时间的推移，选择不仅可以保持，而且可以主动选择更大的毒液基因多样性，这是以前没有研究表明的。

“我们的发现有助于解释几十年来看似矛盾的理论和证据，是什么导致了在蛇毒中观察到的极端变化。事实证明，蛇和猎物之间的军备竞赛最终有利于毒液变体的不断重组，随着时间的推移，导致大量毒液变体的保留，其中一些是古老的。”

2019年，在德克萨斯大学阿灵顿分校(University of Texas at Arlington)担任研究生和博士后研究员期间，Drew Schield和他的同事们发现了响尾蛇基因组中毒液基因的位置，在此之前，这几乎是一个谜。现在他知道了毒液的基因结构作为一种特征(发表在《Genome Research》上)，他意识到科学家可以研究在毒液基因上起作用的进化机制。

蛇毒是一个很受欢迎的研究课题，一个很有希望的模型来理解基因的起源。但此前在这一领域的研究并没有探索选择是如何在密切相关的种群中塑造这种特征的，所以研究人员将重点放在了科罗拉多州、蒙大拿州、加利福尼亚州和爱达荷州的特定响尾蛇种群上。

在勘察了这些蛇的生活地点后，Schield和他的合著者在2017年至2020年的几年中前往了一系列地点，在那里他们收集了68条响尾蛇，它们属于两种不同的物种，占据了美国西部，以便采集它们的血液、毒液并进行物理测量。

他们对这些响尾蛇物种的基因组进行了测序和分析，研究了蛇毒基因所在基因组区域的遗传变异。他们发现了惊人的基因多样性，以及自然选择维持多种不同毒液基因形式的有力证据，这为平衡选择在自然界中比以前认为的更普遍提供了越来越多的证据。

基于这项新研究，Schield怀疑，虽然定向选择可能驱动了毒液的来源，但在更近的时间尺度上，可能有一种平衡的选择转向有利于不同的毒液库。

这可能是毒蛇咬伤难以治疗的一个原因。

“当你研制抗蛇毒血清时，这些进化机制增加了你所要应对的复杂性，因为在不同地理区域的同一物种中，毒液的成分可能完全不同，”Schield说。

Schield说，了解毒蛇基因组的真正多样性——从响尾蛇到眼镜蛇和珊瑚蛇——可以促进抗蛇毒治疗的进步，拯救世界各地的生命。

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