從廣泛到專精─談響尾蛇毒液的演變

響尾蛇毒液的成分

響尾蛇主要分布於加拿大到南美洲一帶的乾旱地區,其尾部具有響環,可發出嘶嘶聲警告侵入其地盤的掠食者。當牠們遇到危險或獵物而進行攻擊時,會奮力注入其出血性毒液,遭蛇吻者則會因出血不止而逐漸無力 [註 1,2]。此外,有些類型的毒液還同時具有神經毒性,可額外導致眼皮下垂、肢體麻木、甚至呼吸困難等症狀 [註 3]。以往在各個響尾蛇品種毒性不盡相同的情況下,為了準備解毒劑或從中提取有價值的成分,研究人員費盡很多心力收集和分析毒液;而近來隨著基因科技進步,他們更希望可以藉此進一步理出毒性演化的脈絡。

各自增添抑或統一來自祖先?

由於構成毒液毒性的蛋白質種類繁多,甚至同一物種的不同個體也存有一定的差異,故蛇毒蛋白演化過程以及相關的基因一直是學界希望破解的問題。從基因的角度進行分析時,必須分兩個層次來看:一是物種演化的過程中,基因密碼究竟發生什麼變化;另一層面則是基因轉錄轉譯時,個體選擇表現哪些基因 [註 4]。在毒液蛋白基因差異方面,過去推論基因在複製過程會產生隨機突變,好的突變則會經由天擇而保留下來 [註 5];但 Dowell 等人在 2016 年發表的研究不支持這種說法。由於不同種的響尾蛇之 PLA2 毒素可能演化出不同毒性,如神經毒性、肌肉毒性、或血液毒性,故 Dowell 等人選擇以此蛋白質為標的,將小盾響尾蛇、西部菱背響尾蛇、及東部菱背響尾蛇的 PLA2 基因進行定序。他們將結果與其他團隊的資料進行比對後,認為響尾蛇極可能存在一個擁有所有毒素基因的祖先,而後代各別的基因型全是經由刪除不同基因而成,過程中並未產生新基因。研究團隊更發現有些不具神經毒素的響尾蛇其實仍保有對應的基因,只是沒表現在毒液而已 [註 6]。

響尾蛇為什麼要自廢武功?

Dowell 等人指出,擁有全部毒素基因的響尾蛇祖先約存在於兩千兩百萬年前,而研究裡選用的三個品種是在四百萬到七百萬年前經基因刪除後才獨立分支出來。由於沒有實際樣本,我們其實無法得知兩千兩百萬年前的響尾蛇毒液是不是真的比較厲害,但現今物種逐漸縮減毒液基因或許更有助於適應環境不斷的變遷。其實不只是響尾蛇,過去 Lynch 分析其他蛇類的 PLA2 基因後,也發現隨著獵物屬性的改變,PLA2 基因不堪用或用不著的部分確實有逐漸消失之情形 [註 7]。

與其將無用基因剔除,為何不保留所有基因以備不時之需?科學家推論可能和能量消耗有關,證據是毒蛇在分泌毒素後體內代謝速度會顯著提升,意味著合成毒素是件相當耗能的活動 [註 8];再加上許多響尾蛇會根據獵物體型大小調整毒液的分泌量 [註 9],顯示毒液就像子彈般數量有限,必須珍惜使用。因此當響尾蛇進食習性逐漸改變而集中以特定獵物為食時,若能停止製造用不到之毒素成分,便能額外保留更多能量。

另一方面,因為敵人與獵物也會逐漸發展出抗毒性,毒蛇就得分泌更多毒液才能達到效果;這時能夠集中資源大量製造特定毒素之響尾蛇品種,當然就比較能突破獵物的抗毒性而得以生存。類似的情況在自然界並不少見,像是南極冰魚發展出不靠紅血球的新陳代謝系統後,其體內只剩下血紅素A基因而刪去血紅素 B 基因 [註 10];洞穴魚 (cavefish) 生活在伸手不見五指的黑暗中就拋棄視覺基因 (opsin genes) [註 11];以及隨著高等靈長類發展出三原色視覺,嗅覺基因就逐漸演變為無功能之假基因 [註 12]。由此看來,雖然保留基因多樣性可以彈性應對各種環境的變化,但基於特定考量讓部分基因退化,或許不是一件壞事;甚至這種有得有失的情形,正是自然界得以長久維持平衡之原因也說不定呢!

參考文獻:
1. Chang MC et al. Blood 1998; 91:1582-9.
2. Hati R et al. Crit Rev Toxicol 1999; 29:1-19.
3. Aird SD et al. Biochemistry 1985; 24:7054-8.
4. Casewell NR et al. Proc Natl Acad Sci USA 2014; 111:9205-10.
5. Malhotra A et al. Toxicon 2015; 107:344-58.
6. Dowell NL et al. Curr Biol 2016. doi: 10.1016/j.cub.2016.07.038. [Epub ahead of print]
7. Lynch VJ. BMC Evol Biol 2007; 7:2.
8. McCue MD. Copeia 2006:818-25.
9. Galán JA et al. Toxicon 2004; 43:791-9.
10. Cocca E et al. Proc Natl Acad Sci USA 1995; 92:1817-21.
11. Yang J et al. BMC Biol 2016; 14:1.
12. Gilad Y et al. PLoS Biol 2004; 2:E5.

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