长文科普：毒素-离子通道互作介导的分子博弈游戏

互推小编 2023-06-10

来源：离子通道研究进展

作者：

尹传玲（东北林业大学硕士研究生）

董文琪（东北林业大学硕士研究生）

杨仕隆教授

一提到以蜈蚣、毒蛇、蝎子、壁虎和蟾蜍这“五毒”为代表的产毒动物，我们自然地心生畏惧，敬而远之；殊不知，动物毒素是亿万年自然进化的结晶，也是科学家认识自然的有力工具和治疗疾病的潜在药物。而离子通道是动物毒素的重要受体类别，研究毒素-离子通道的相互作用是我们认识生物世界的独特切入点。

“优胜劣汰、适者生存”是达尔文1859年提出的“自然选择学说”中核心内容之一，只有在生存竞争中获胜，才能拥有生存的机会。物种为了克服生存环境中生物因素和非生物因素造成的困难，出现了适应性的进化。以生物因素为例，动物捕食、防御和竞争是他们在生存适应中需要解决的根本问题。而动物毒素作为令人胆寒的“生化武器”，在自然界中已经演化了数亿年。从低等的棘皮动物到高等的灵长类都不乏有毒动物的身影，其中包括人们所熟知的毒蛇、河豚、蜈蚣、蝎子、蜘蛛、海葵、懒猴等(图一)。

动物毒液作为有毒动物强有力的“化学武器”，极大地优化了其捕食、防御和竞争等生命活动，是其生存适应中不可或缺的重要保障。本文旨在从有毒动物生存适应策略的角度剖析毒素与其受体在进化过程中的互作关系，特别关注了近年来以蜈蚣和蝎子的毒液系统作为研究对象开展的几个研究工作。

图一动物王国中的有毒动物，仿张云研究员综述[1]

离子通道在神经、呼吸、循环、运动等重要生理系统中执行关键的功能，其功能的异常往往导致严重的生理功能紊乱。大量的研究表明，离子通道是动物毒液成分的重要靶点（如经典的河豚毒素TTX），越来越多靶向离子通道的毒素被鉴定识别（点击“阅读原文”见《劳动报》-用“毒”钥匙开启神经科学的微观秘境）。

其中，蝎毒因科学家长期的系统研究而非常具有代表性（我国涉及蝎毒成分研究的研究机构包括中国科学院生物化学与细胞生物学研究所戚正武院士团队、上海大学吉永华教授团队、中国科学院动物研究所朱顺义研究员团队、武汉大学吴英亮和曹志贱研究员团队等大量科研院所和高校）。我国科学家除针对蝎毒的系统探索外，湖南师范大学梁宋平教授和刘中华教授团队在蜘蛛毒液成分的结构功能方面进行了大量研究[2]，海南大学罗素兰教授团队在芋螺毒素研究取得了重要进展[3]。除此以外，近期一些国内团队（中国科学院昆明动物研究所赖仞和张云研究团队、中国科学与技术大学田长麟教授团队等）主持的研究工作开始逐步关注毒素的生理生态学意义，为理解有毒动物的生存适应策略提供了新的研究思路。

有毒动物在自然界中可能扮演捕食者、被捕食者或竞争者的角色，于是，动物毒素与离子通道的相互作用在食物链的微观世界中上演了一场壮观的分子博弈游戏。

在这场分子博弈中，毒素淋漓尽致地展现了其结构和功能的多样性。从结构上讲，不同来源的毒素分子其氨基酸序列各不相同，大多数的毒素分子是由22至60个氨基酸残基通过不同的折叠方式形成的多肽类分子。这些毒素通过2至5对二硫键的交联，形成不同的折叠方式的二硫键并使得毒素在高级结构上实现高度多样性，这可能与其功能的进化过程相关[4]。

从功能上看，毒素有的靶向作用于循环和呼吸系统相关的离子通道（如hERG、BKCa、KV7、NaV1.4等）来提升捕食成功率，有的靶向疼痛相关的离子通道（如NaV1.7、NaV1.8、CaV2.2、CaV2.3、TRPV1、TRPA1等）来加强自身防御能力[5]。

有趣的是，在分子博弈中，作为毒素受体的离子通道也并非一直处于弱势地位。为了对抗动物毒素，许多离子通道在自然选择的过程中实现了基因突变，消除了毒素的结合靶点，令强有力的毒素分子无的放矢，这样的机制可能造成有毒动物在食物链中的捕食地位发生改变。

捕食策略

——通过影响离子通道功能来实施捕食策略

利用毒素进行捕食是毒液功能中最为常见的一种生存策略，自然界的用毒高手进化出了一套利用生物毒素靶向猎物重要离子通道的高效制敌方法。通过毒液的注入，这些毒素可以在极短的时间内调控猎物的神经、呼吸、循环或运动等系统[6, 7]。譬如，电压门控钠离子通道（如NaV1.4、NaV1.5、NaV1.6）就是毒素的常见靶点。肌肉钠通道（NaV1.4）和心肌钠通道（NaV1.5）分别在骨骼肌和心肌的运动中发挥重要功能，而NaV1.6（晚钠电流的主要成分）的功能丧失会导致小脑萎缩、共济失调等疾病[8]。

人类已经发现了大量靶向电压门控钠通道的生物毒素，很大程度上表明了这些毒素的协同进化效应。有毒动物通过毒素来调控猎物的这些重要离子通道，可以在捕食中实现难以置信的“以小博大”。一个极端的例子就是蜈蚣对大型猎物的捕食：一只体重仅为3g的蜈蚣竟可以在30s内捕杀一只体重为45g的小鼠，捕食体重比达到了15倍，蜈蚣如此高效的捕食是如何实现的呢？

为了揭示这一有趣的现象，赖仞研究员团队基于前期对蜈蚣毒素结构功能多样性的深入理解[9-11]，发现一个名为SsTx的新型毒素，该毒素正是蜈蚣捕食大型猎物的关键“武器”。我们发现SsTx能够高效抑制猎物KCNQ通道的功能。KCNQ共有5个亚型，其中，KCNQ1主要分布在心血管系统中，参与到心肌细胞动作电位的复极化过程；KCNQ4在支气管和血管平滑肌张力调节中起重要作用；KCNQ2/3/5主要分布在中枢神经系统中[12, 13]。

SsTx通过与KCNQ形成两对相互作用力(R12-D288; K13-D266)来阻断KCNQ通道的钾离子流。SsTx与血管平滑肌上的KCNQ4结合会导致猎物血管痉挛，使得外周阻力增加，出现急性高血压，随之发生心肌缺血和心衰。而呼吸系统中的KCNQ4被SsTx结合会使支气管平滑肌强直收缩，呼吸加深加快，造成机体缺氧。

若毒素进入到脑神经区域，作用在中枢神经系统中的KCNQ2/3/5，会使神经细胞高频放电，猎物瞬间抽搐、痉挛。正是由于KCNQ在体内分布的广泛性和重要的生理功能，蜈蚣得以通过SsTx实现对大型猎物的捕食(图二)。因此，蜈蚣在捕食过程中展现的这种“以小博大”充分体现了动物毒素在发挥功能过程中的高效性，以单一毒素引发多系统的功能紊乱，达到快速制敌的效果[14, 15]。

图二 SsTx通过阻断KCNQ通道影响猎物各个生理系统[14]

总的说来，毒素极大地弥补了有毒动物在捕食关系中存在的劣势（体重小、速度慢、智力低），它们利用特殊的分子结构和对猎物不同离子通道的调控来保障有毒动物处于食物链中的优势地位，以达到其生存适应的目的。

防御策略

——通过影响离子通道功能来实施防御策略

有毒动物的毒液功能虽强，但它们的合成需要消耗巨大的生物能量，所以面对体型远大于自身的对手，生存策略就需要一些转变。原本杀伤性的捕食策略不再是最优选择，反而，能让捕食者感受到强烈瘙痒、疼痛、灼烧等不适感的蛰刺与叮咬构成了有毒动物防御大体型对手的首选策略。

蝎子就是一类展现优秀防御策略的有毒动物，上海大学吉永华教授团队、武汉大学吴英亮教授和曹志贱教授团队以及中国科学院动物研究所朱顺义研究员团队等国内外课题组系统地研究了蝎子毒液成分的复杂结构功能特征[16-18]。作为在地球上存在了4.2到4.5亿年的古老物种，它们使用毒素的进行防御的技能早已登峰造极。

为揭示其中奥秘，赖仞研究员团队从马氏正钳蝎（Mesobuthus martensii）毒液中分离获得了蝎毒BmP01的天然结构，它可以特异性激活辣椒素受体TRPV1，引发如同品尝辣椒一样的剧烈疼痛。TRPV1是一个同源四聚体离子通道，主要表达在初级传入感觉神经元上，是一种非选择性阳离子通道，能够被辣椒素(Capsaicin)、损伤性热刺激(＞43℃)和质子(H+)等化学和物理因素激活，并将这些刺激信号转化为电信号传递到中枢神经产生痛觉。因此，TRPV1是一个与疼痛高度相关的离子通道。有趣的是，BmP01激活TRPV1的机制与蝎子毒液中的酸性环境密切相关[19]。

在蝎子毒液的酸性条件下（pH约6.0-6.2），TRPV1的E601位点被氢离子占据，通道此时处于易被激活的高能状态，在这种高能状态下，BmP01通过与通道的另一个位点E649结合激活TRPV1，这种激活效率比在低能状态下（中性pH，E601未质子化）高出一百倍到一千倍！导致大量钙离子内流，引发剧烈的疼痛。

同样古老的蜈蚣毒素也具有激活TRPV1的功能。赖仞研究员团队从蜈蚣毒液中识别的RhTx，能够通过作用于TRPV1来引起其对温度的高度敏感，继而引起强烈的灼烧与疼痛感。研究发现，RhTx富集电荷的C末端可以与TRPV1通道外孔区上的D602，Y632，T634位点结合，通过影响通道的孔区的构象来实现通道的激活。

虽然RhTx看似与其他的TRPV1激动剂同样高效，但进一步的研究发现，RhTx激活TRPV1具有极高的温度依赖性，说明RhTx调控了TRPV1的热激活途径[11]，这与BmP01[19]和辣椒素的激活机制完全不同(图三)。因此，RhTx对TRPV1的激活可能需要依赖哺乳动物的体温（37-39℃）来实现其功能的高效性，说明这是一个专门针对哺乳动物的防御型毒素。

图三 RhTx(左)及BmP01(右)对TRPV1的不同调控机制 (图片修改自[5, 11, 19])

近年来，科学家们在不同有毒动物中均发现了TRPV1的激动剂。例如，加州大学旧金山分校David Julius教授和以色列希伯来大学Avi Priel教授等团队从蜘蛛和毒蛇中均发现了具有激动TRPV1功能的毒素成分[20-23]，这表明了TRPV1在有毒动物防御策略中扮演了核心受体的作用。

生存适应中的离子通道进化

毒素高效地靶向离子通道，赋予低等有毒动物强有力的捕食和防御能力，使它们在食物链中占据着较高地位。有趣的是，作为毒素靶点的离子通道受到毒素的选择压力，出现了毒素耐受的突变体，从而导致一些重要的生物学事件的出现。譬如，两栖类动物往往是有毒动物的猎物，但是两栖动物通过离子通道的突变扭转了博弈的天平，重获捕食者地位。

α-蝎毒是蝎子重要的捕食和防御生化武器，它们通过靶向作用肌肉系统中的钠离子通道来影响猎物的运动系统机能。最近，赖仞研究员团队以蝎毒BmK-M9多肽为代表探讨了α蝎毒与昆虫纲和哺乳纲肌肉钠通道(NaV1.4)的高度亲和力[24]。

研究发现，BmK-M9首先与细胞膜发生互作，随即结合NaV1.4 DⅣ亚基上的电压敏感元件（DIV voltage sensor）。BmK-M9结合在DIV voltage sensor的Asp/Lys-Tyr结构域（D/K-Y motif），使得DIV voltage sensor向外移动的能力受到了毒素结合的控制，将其锚定在膜内位置，并阻断NaV1.4快失活门控，使通道持续保持激活状态。这种NaV1.4的持续激活能够使猎物的骨骼肌强直性收缩，是蝎子捕食策略中的重要分子手段。

而在无尾两栖类动物的NaV1.4中，第1432位的氨基酸由K变成了带有负电荷的E，导致α-蝎毒与蛙类的DIV voltage sensor无法结合，不能发挥其功能。这样的突变保证了无尾两栖类动物在食物链中的地位。这些现象说明离子通道在与毒素博弈过程中出现了适应性进化 (图四)，同时推动了食物链结构的演化。

图四两栖类、蝎子与昆虫之间食物链演化模型及其分子机制[24]

离子通道除了在动物毒素的选择性压力下能发生进化适应，其中一部分还能对植物毒素产生耐受。我们的研究发现，辣椒素受体TRPV1通道对植物毒素的耐受显著影响了动物的食性演变。众所周知，痛觉作为机体的一种自我保护机制，用于警示动物规避有害的外部化学刺激。辛辣植物中的辣椒素利用此机制来刺激采食者的TRPV1产生痛觉，使采食的哺乳动物对其敬而远之。

有趣的是，赖仞研究员团队发现一种形似松鼠的高等哺乳动物-树鼩，能够主动进食红辣椒。这是由于树鼩TRPV1的579位点发生了突变，极大降低了辣椒素对TRPV1的亲和力(图五)。与人类享用辣椒不同，树鼩并非通过高级神经建立愉悦感，而是从分子层面抵御辣椒素的进攻，获得进食辣椒的能力[25]。

但是，树鼩因何进化出这种特殊的机制？这与引入东南亚仅有三百年的辣椒可能并无直接关系。我们发现，树鼩喜食一种胡椒属植物-芦子藤，其中富含一种辣椒素类似物-Cap2。我们认为树鼩受到生境压力，需要大量采食芦子藤，从而其TRPV1受到Cap2的选择压力并出现了结构功能进化。

图五辣椒素与树鼩TRPV1结合模型(左)以及树鼩的进化压力和适应性(右) [25]

因此，两栖类与树鼩都通过离子通道的进化产生了对毒素的耐受并实现生存适应。总的来看，毒素和离子通道这对相互博弈的“矛”与“盾”，在亿万年的进化历程中催生了多种多样的相互关系，演化成如今纷繁复杂的生态系统。

宏观世界的生存适应现象在微观世界中同样精彩纷呈。毒素与离子通道之间的博弈，二者互有胜负，其结果往往决定了重要的生物学事件。而新的突变不仅会带来功能更强的毒素，还会带来能抵御毒素的通道突变体。专注于这一页藏在生物学故事里的篇章，原赖仞研究员团队主要成员杨仕隆教授在东北林业大学野生动物与自然保护地学院成立研究团队，将继续与同行专家们共同书写关于动物生存适应的新章节。毒素与离子通道永恒的博弈游戏将会随奔流不息的进化长河向远方蜿蜒流淌。

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