缓激肽类似物的反复趋同进化作为防御性毒素

《SCIENCE》：Repeated convergent evolution of bradykinin mimics as defensive toxins

蜜蜂等膜翅目昆虫和蛙类皮肤分泌物中的类缓激肽肽通过多次趋同进化独立演化，作为防御机制有效激活脊椎动物缓激肽受体，表明自然选择驱动了趋同进化。

　　

编辑总结

缓激肽是一种肽类激素，在哺乳动物受伤时会引起疼痛和血管扩张。尽管缓激肽最早出现在早期脊椎动物中，但在某些黄蜂和青蛙的毒液中也存在类似或相同的分子。Shi等人研究了来自膜翅目（Hymenoptera）和无尾目（Anura）的代表性物种，以确定这些基因的进化起源。他们发现这些分子是独立于哺乳动物中的缓激肽演化而来的，即使是青蛙物种也拥有自己内源性缓激肽，这种缓激肽与其毒液中的缓激肽不同。作者认为，这些毒液和毒素之所以与缓激肽相似，是由于受到哺乳动物的捕食压力。——Corinne Simonti

结构化摘要

引言

缓激肽是一种存在于脊椎动物体内的短肽激素。当组织受损时，它会从前体蛋白激肽原（kininogen）中释放出来，通过作用于缓激肽受体导致局部血管扩张、血管通透性增加以及急性和持续性疼痛。

据报道，在某些黄蜂（膜翅目）和青蛙（无尾目）的毒液以及一些青蛙的防御性皮肤分泌物中存在与缓激肽相似的肽类。鉴于黄蜂毒液肽、青蛙皮肤肽和脊椎动物缓激肽之间的相似性，人们曾认为它们具有共同的进化起源。

研究理由

不同物种之间的相似特征可能反映了共同的祖先，但也可能通过趋同进化独立产生。我们假设膜翅目和无尾目中的缓激肽样肽是独立于脊椎动物缓激肽演化而来的，而是为了模仿脊椎动物缓激肽而产生的趋同进化产物。

结果

我们分析了编码膜翅目毒液中的缓激肽样肽的基因，发现它们与脊椎动物缓激肽没有共同的祖先。相反，这些肽是通过其他膜翅目毒液肽基因的复制和新功能化作用演化而来的，而且这一过程至少发生了四次。我们证明了膜翅目毒液中的缓激肽样肽能够强烈激活脊椎动物的缓激肽受体，并且其中一些在哺乳动物痛觉模型中表现出与哺乳动物缓激肽相似的活性，这表明对抗脊椎动物捕食者的防御机制是推动其反复进化的关键因素。

对编码无尾目皮肤缓激肽样肽的基因进行分析后发现，这些肽也是独立于脊椎动物缓激肽演化而来的，而且在无尾目内部多次发生这样的演化。实验表明，不同物种的缓激肽对其同种受体的特异性为这一结论提供了有力证据，即黄蜂和青蛙缓激肽样肽与特定脊椎动物缓激肽的相似性是由于在脊椎动物捕食者受体上的有效性选择所致。

结论

膜翅目和无尾目中的缓激肽样肽是通过分子模仿作用反复发生趋同进化的产物。缓激肽样肽的反复演化突显了基因及其产物的可塑性。在适当的遗传基础和共同的环境压力下，自然选择可以导致远缘物种之间相同分子的反复趋同进化。

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模仿脊椎动物激素缓激肽的肽类已多次作为防御性毒素演化出来。

选定的脊椎动物谱系（哺乳纲、蜥臀目[不包括蛇目]、蛇目和硬骨鱼目）的典型缓激肽序列用蓝色标出。在其他谱系中独立演化出作为防御性毒素的代表性缓激肽样肽用紫色标出。从左上角逆时针方向依次为：Polistes humilis（胡蜂科）、Heterodontonyx darwinii（泥蜂科）、Triscolia ardens（切叶蜂科）、Neoponera goeldii（蚁科）、Physalaemus nattereri（雨蛙科）、Rana temporaria（蛙科）和Bombina bombina（炸弹蛙科）。B2R（人类缓激肽B2受体，灰色）结合了人类缓激肽（青色）（蛋白质数据库：SF2O）。插图由Ilusea Studio制作。

摘要

自然选择可以通过趋同进化驱动相似特征的演化。在某些黄蜂（膜翅目）和青蛙（无尾目）的毒液及皮肤分泌物中发现了与脊椎动物激素缓激肽（BK）相同的短肽。本研究证明，编码膜翅目毒液和无尾目皮肤分泌物中缓激肽样肽的基因与脊椎动物缓激肽的基因没有共同祖先，而是多次独立从肽类毒素基因演化而来。这些肽具有抵御脊椎动物捕食者的防御功能，它们与缓激肽的相似性是由于在捕食者受体上的有效性选择所驱动的。我们的发现说明了自然选择如何推动远缘物种之间相似分子的反复趋同进化。