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蓝光激活无眼洞穴蜘蛛的沉默生物钟:揭示光信号缺失对昼夜节律的进化重塑
《SCIENCE ADVANCES》:Blue light restores functional circadian clocks in eyeless cave spiders
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年02月13日 来源:SCIENCE ADVANCES 11.7
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本研究通过比较洞穴蜘蛛与地表近缘种的昼夜节律调控机制,首次发现无眼洞穴蜘蛛在长期黑暗环境中仍保留完整的生物钟(circadian clock)基因网络。实验证明450 nm单色蓝光(BL-D)可恢复其PER/TIM/CRY核心振荡器的节律性表达,而阻断蓝光(BBL)则使地表种呈现"洞穴表型"。研究揭示了LARK-DBT通路在光信号缺失时的代偿调节作用,为理解极端环境下生物钟的进化可塑性提供了新范式。
在生命演化的长河中,洞穴环境造就了无数令人惊叹的适应性特征。中国科学家通过对穴居蜘蛛Leptonetela属的深入研究,揭开了极端黑暗环境下生物钟调控的奥秘。这项发表于《Science Advances》的研究,以三种光学表型差异显著的蜘蛛为模型:具完整视力的洞口种L. mengzongensis,以及两种无眼洞穴种L. sublunata和L. tetracantha。
野外行为学观测显示,在自然洞穴的永恒黑暗中,两种无眼洞穴蜘蛛表现出持续活跃的"洞穴表型",其抱团反应(huddle response)行为丧失昼夜节律性。令人惊讶的是,当将这些洞穴种暴露于实验室单色蓝光(45.0 μW cm-2)下,不仅行为节律得以重建,核心生物钟基因per、tim和cry也恢复振荡表达。这种"可唤醒的沉默表型"暗示着洞穴蜘蛛的生物钟机制并未真正丧失,而是处于待激活状态。
分子机制解析揭示了光输入通路的关键作用。qRT-PCR检测显示,洞穴种在自然状态下per表达持续低迷,最高值甚至低于地表种的最低水平。进一步研究发现,光敏基因cry的表达紊乱导致TIM蛋白降解异常,而RNAi敲低cry可使地表种重现洞穴表型。更引人注目的是,转录组分析鉴定出LARK-DBT调控轴的特殊作用——洞穴环境中lark表达上调2.1倍(log2FC=1.1),通过抑制dbt表达阻碍PER蛋白的磷酸化降解。
进化分析带来了更深层的启示。尽管长期处于黑暗,四种核心生物钟基因(per、cry、lark、dbt)在洞穴种中仍受到强烈纯化选择(ω=0.0099-0.2012,P<1.79×10-45)。时间序列转录组揭示,地表种在转入黑暗后,仍维持着脂代谢(map00565)和神经活动(map04728)相关基因的节律性表达,说明生物钟调控网络具有惊人的稳定性。
这项研究颠覆了传统认知:首先证明无眼生物可通过非视觉光感受(extraocular photoreception)重置生物钟;其次揭示LARK-DBT通路是黑暗适应的关键分子开关;最后提出"可切换生物钟"理论,为理解昼夜节律的进化提供了新视角。这些发现不仅解释了洞穴动物适应黑暗的分子机制,更为人类昼夜节律紊乱疾病治疗提供了新思路——特别是450 nm蓝光在调节睡眠-觉醒周期中的潜在应用价值。
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