蛇毒腺毒素产生异质性的基因调控机制：从单细胞到空间分布的多维解析

【字体：大中小】 时间：2025年05月20日 来源：Genome Biology 10.1

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　　【编辑推荐】为探究蛇毒腺毒素产生异质性机制，研究人员对海角珊瑚蛇（Aspidelaps lubricus）开展基因组、单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）及空间质谱成像研究。发现毒素表达受转录因子模块精细调控，且调控元件与毒素基因共进化，为理解毒液适应性进化提供新视角。

毒液作为动物界中极具代表性的适应性特征，其复杂的分子组成和细胞调控机制一直是进化生物学和功能基因组学的研究热点。在蛇类中，毒液腺的细胞异质性导致毒素分布不均的现象早已被观察到，但这种异质性究竟是自然选择的直接产物，还是细胞分泌功能受限的副产物，学界一直存在争议。例如，过去研究认为毒素在毒液腺中的空间分布可能是一种适应性策略，便于蛇类通过行为调控毒液成分，但近年来越来越多的证据提示，这种分布可能更多受到蛋白质分泌机制的生理约束。在此背景下，解析毒素基因表达的调控网络及其进化轨迹，成为揭示毒液系统演化奥秘的关键。

挪威奥斯陆大学生物科学系的研究团队针对海角珊瑚蛇（Aspidelaps lubricus）开展了深入研究，相关成果发表于《Genome Biology》。该研究通过整合高质量基因组组装、毒液腺单细胞转录组分析和空间质谱成像技术，系统阐释了蛇毒腺毒素产生异质性的分子基础，为理解毒液系统的进化逻辑提供了全新视角。

研究团队主要采用了以下技术方法：首先，利用 PacBio HiFi 测序技术构建了海角珊瑚蛇的高质量基因组草图（1.82 Gb，N50=80.2 Mb），结合 BUSCO 评估显示基因组完整性达 94.3%；其次，对毒液腺组织进行单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），获得 1224 个细胞的转录组数据，通过聚类分析鉴定出 5 个毒素产生细胞群和 6 个非毒素细胞群；最后，运用基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI MSI）技术，解析毒素蛋白在毒液腺中的空间分布模式，并结合转录因子（TF）结合位点预测和基因共表达网络分析（WGCNA），构建了毒素基因调控网络（GRN）。

基因组特征与毒素基因注释

基因组分析显示，海角珊瑚蛇基因组中 50.92% 为重复序列，其中长散在核元件（LINEs）占 18.22%，与其他蛇类研究一致。通过 ToxCodAn-Genome 工具注释到 73 个毒素基因，分属 18 个家族，其中三指毒素（3FTx）家族最为庞大（27 个基因），其转录水平占毒液腺总毒素表达的 69.14%-79.35%，且通过自上而下蛋白质组学验证了 21 个 3FTx 蛋白的存在，证实了转录组数据的可靠性。

单细胞水平的毒素产生细胞异质性

scRNA-seq 分析将毒液腺细胞分为 11 个簇，其中毒素产生细胞（簇 0、4、5、7、9）占 51.4%。进一步亚聚类分析显示，毒素产生细胞存在显著的转录异质性，不同细胞群富集不同毒素家族：簇 0 高表达 3FTx 和 CRISP，簇 4 富集 3FTx 和蛇毒金属蛋白酶（SVMP），簇 9 则以 SVMP 和眼镜蛇毒因子（CVF）为主。伪批量（pseudo-bulk）转录组与传统批量 RNA-seq 的高度相关性（R=0.47, p<2.2×10^-16），验证了单细胞数据的整体代表性。

转录因子模块与毒素基因共表达网络

通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），在全细胞和毒素细胞数据中分别鉴定出 38 和 73 个模块，其中 3 个核心模块涵盖 46 个毒素基因。功能富集分析显示，这些模块显著富集转录、翻译和蛋白质输出过程，以及内质网应激（UPR）和细胞外信号调节激酶（ERK）通路相关基因。转录因子结合位点（TFBS）预测结合 GENIE3 算法，筛选出 133 个（全细胞）和 61 个（毒素细胞）候选 TF，其中 CREB3L2、GRHL1 等已知参与毒液调控的 TF，以及 BHLHA15、PRDM1 等新发现的调控因子被识别。

毒素基因调控元件与空间分布的共进化

对 3FTx 基因的启动子分析发现，细胞毒素与神经毒素共享部分 TF（如 FOS、KLF5），而神经毒素拥有更多特异性 TF（如 JUN、MYC）。启动子序列与编码区的系统发育分析显示，两者进化树拓扑结构高度一致（R=0.51, p<0.001），提示调控元件与毒素基因的共进化模式。质谱成像（MSI）显示，细胞毒素集中分布于毒液腺后部，神经毒素则富集于前部，且毒素的空间分布相关性与 TF 结合位点的雅卡尔相似性（Jaccard similarity）呈正相关（R=0.25, p=1×10^-11），表明 TF 模块是细胞异质性的关键驱动因素。

研究结论与科学意义

该研究揭示，蛇毒腺的毒素产生异质性由转录因子模块的组合调控所决定，这种调控模式与毒素基因的系统发育密切相关，导致功能相似的毒素在空间上成簇分布。尽管这种区室化并非直接适应性特征，但其背后的调控网络模块化特性，可能为喷毒眼镜蛇防御性毒液的多次独立进化提供了遗传基础。研究同时发现，调控元件的快速进化（如 TF 结合位点的得失）可能是毒液表型快速转变的关键机制，这一结论为理解多基因性状的适应性进化提供了新模型。

该工作不仅填补了海角珊瑚蛇基因组数据的空白，更通过多组学整合，首次在单细胞和空间维度解析了蛇毒腺的基因调控网络，为后续利用类器官模型和基因编辑技术开展功能验证奠定了基础。其发现的调控模块与毒液功能创新的关联，也为生物技术领域（如毒素靶向药物开发）提供了潜在靶点，同时为理解复杂表型的进化约束与创新机制开辟了新方向。