海洋多肽毒素的研究进展

170 Chin J Nat Med May 2009 Vol. 7 No. 3
2009 年 5 月 第 7 卷 第 3 期
王 磊，等/
2009, 7(3): 169−174
度紧凑的立体构象。与蜘蛛、蝎、蛇、海葵等许多 动物的毒素相比, 芋螺毒素的肽链短的多, 二硫键 丰富, 分子结构更紧密, 但是生物活性却更高。芋 螺毒素尽管很小, 但是具有显著的多样性。这主要 是因为在一级结构上, 成熟肽区的半胱氨酸之间的 序列是高度可变的。不仅在种类上高度可变, 而且 数目也不尽相同。另一个导致芋螺毒素高度多样化 的原因是其氨基酸残基存在不同程度的翻译后修 饰, 例如脯氨酸羟基化、色氨酸溴化、谷氨酸的 γ 羧化、丝氨酸和苏氨酸糖基化、酪氨酸硫化、羧基 末端酰胺化或氨基酸残基从 L 型转变到 D 型的差向 立体异构化修饰等。这些翻译后修饰更增加了芋螺 毒素结构的多样性和复杂性[15]。芋螺毒素虽然种类 众多, 但是按照其结构特征(保守的信号肽序列和 半 胱 氨 酸 骨 架 ) 可 归 纳 为 几 个 超 家 族 (superfamily): A-、 L-、 I-、 M-、 O-、 P-、 S-、T- 等, 每个 超家族按照其作用的受体又可分为不同的家族, 如 α-、μ-、ψ-、ω-、δ-、σ-等若干家族(family)。
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王 磊，等/
2009, 7(3): 169−174
周围, 大量毒腺即刺丝囊(cnidocyte)分布于触手 上[2]。海葵触手的毒腺组织能够分泌大量的肽类毒 素, 根据作用方式的不同可分为海葵神经毒素(Sea Anemone Neurotoxin)、海葵溶细胞素(Sea Anemone Cytolysin)和钾离子通道抑制剂。
海洋多肽毒素的研究进展
王 磊, 徐安龙*
中山大学生命科学学院, 有害生物控制与资源利用国家重点实验室, 广东省药用功能基因研究重点实验室, 广州 510275
【摘 要】 海洋生物毒素是海洋生物活性物质中发展最迅速的重要领域之一, 也是海洋新型药物研究的热点。
而其中的多肽蛋白类毒素则是其中毒性最强的毒素, 这些海洋多肽毒素特异的作用于离子通道或分子受体的亚型,
与此同时, 科学家们也对芋螺毒素的潜在药用 价值进行了大量的研究, 发现芋螺毒素在治疗慢性 疼痛、急性疼痛、癫痫、神经保护、心血管疾病、 精神失常、运动失调、痉挛症、癌症及中风等方面 具有广泛的开发前景。如 ω-CVID, GVIA, MVIIA 在治疗疼痛方面显示极大的应用价值[17,18]。2004 年 12 月 , 美 国 FDA 正 式 批 准 ω-MVIIA( 也 叫 Ziconotide 或 Prailt)作为一种治疗严重慢性疼痛的
迅速、应用广泛的芋螺毒素、海葵毒素、海蛇毒素为代表, 对当前的海洋多肽毒素的研究现状进行了综述, 并结合
先进的科学方法, 探讨海洋多肽毒素的研究技术及方法。
【关键词】 海洋生物; 多肽; 神经毒素; 神经科学; 药物设计
【中图分类号】 R282.77，R978.1+2
【文献标识号】 A 【文章编号】1672-3651(2009)03-0169-06
2009 年 5 月 第 7 卷 第 3 期
子通道的亚型, 同时很多的离子通道或受体上面也 具有多个毒素的受体位点, 因此,海洋多肽毒素可 以作为研究离子通道或分子受体的探针, 从而成为 研究离子通道结构与功能关系的强大工具, 此外, 通过研究海洋多肽毒素与离子通道的相互作用, 也 可阐明毒素作用的分子机理, 正因为海洋生物多肽 毒素具有了明确的作用机理, 也成为非常有潜力的 临床用药物或药物分子设计的前导物。比较有代表 性的海洋多肽类毒素包括海葵毒素、芋螺毒素、海 蛇毒素、水母毒素、刺毒鱼类毒素等。下面仅就目 前研究进展较快的海葵毒素、芋螺毒素及海蛇神经 毒素综述当前的研究状况, 其它的如水母多肽毒 素、鬼蚰毒素及刺毒鱼等的多肽活性物质在此不再 一一赘述。
目前已经从 20 多种海葵中提取分离到 30 多种 溶细胞素, 它们是由 170~180 个氨基酸组成的单链 多肽, 链内无二硫键, 分子量在 20 kDa 左右, 有较 高的等电点[3]。它们具有十分广泛的生理活性：包 括血小板凝集、心肌毒性、溶细胞作用、抗菌、抗 肿瘤、引起肺水肿等等[4,5], 其中最典型的是在细胞 膜上形成穿孔, 使细胞破碎, 溶解[6]。姜孝玉等对来 源于玫瑰红绿海葵的溶细胞素 Src I的结构与功能 研究认为：Src I 可能并不是对某些磷脂有亲和力, 而是对磷脂营造的环境有选择性, Src I 表现的细胞 毒性与细胞的磷脂环境相关, 不同细胞的细胞膜的 磷脂环境不一, 对 Src I 的敏感性就表现出差异[7]。 海葵溶细胞毒素表现出的多种生物活性, 也具有开 发为抗菌、抗癌、治疗心衰等药物的潜力。但是, 对 其继续开发还需进一步弄清其与细胞膜作用的机 制, 阐明溶细胞素与膜作用的分子机制, 对于建立 真核生物 pore-forming 毒素与细胞膜相互作用的模 型也有着重要的意义。
从而具有特定的生理活性, 如镇痛、强心、降压、抗病毒、麻醉等。因此, 海洋多肽毒素成为临床用药物的重要来
源; 同时, 海洋多肽毒素作为分子探针, 也是神经科学上用于研究离子通道或分子受体亚型结构与功能的强大工具。
比较有代表性的海洋多肽毒素包括：海葵毒素、芋螺毒素、海蛇毒素、水母毒素、刺毒鱼毒素等。本文以当前发展
型 Kv1.3, 目前, ShK 及其合成的同类物用于治疗多 发性硬化病及 T-细胞介导的自身免疫性疾病方面 的研究正在进行之中[10]。
作用于钠离子通道的海葵神经毒素是目前研 究的最为广泛的一类海葵毒素, 由 3 对分子内二硫 键组成, 分子量大约 5 KDa 左右。在过去的三十多 年里, 随着分子生物学和生物物理学的发展, 人们 在研究海葵神经毒素序列和生理活性的同时, 也更 加清楚的研究了海葵神经毒素的作用机理。普遍认 为, 海葵神经毒素能够增强心肌收缩, 因此, 海葵 神经毒素作为强心药物前导物而引起了研究者的 兴趣, 作用机理是与可兴奋细胞的钠离子通道位点 3 特异性的结合, 改变钠离子通道失活的动力学, 使通道的开放时间延长, 从而延长动作电位[11]。增 加钠离子内流, 使细胞内钠离子浓度升高, 并进一 步通过 Na+/Ca+离子交换机制和继发的钙通道开放 刺激内钙释放, 导致细胞内的钙离子浓度增加, 起 到增强心肌收缩的作用, 而且对心率与血压没有影 响。因此, 海葵神经毒素一方面可以作为分子探针, 研究钠离子通道的结构与功能, 另一方面, 可以作 为一种治疗心力衰竭的药物先导物, 研制开发新的 治疗心衰的药物。
2.2 芋螺毒素 在所有的动物毒素中, 来自海洋软体动物芋螺
毒液中的多肽类毒素－芋螺毒素可能是迄今为止 最具有多样性的代表。全世界大约有 500~700 个芋 螺物种, 每一种类的芋螺所含有的不同序列结构的 肽类毒素多达 100~200 种, 而且任何两种芋螺所含 有的毒素很少重叠, 因此, 据估计现有的芋螺毒素 种类可高达 50 000 种以上[14]。芋螺毒素通常为 10~30 个氨基酸残基组成的小肽。大多富含半胱氨 酸残基, 具有高度保守的二硫键骨架, 使之形成高
由于芋螺毒素高度特异的识别和结合不同亚 型的离子通道及受体。因此, 作为天然存在最广泛 的一类作用于神经系统的多肽分子, 芋螺毒素成为 神经药理学研究不可多得的探针来源。如μ-芋螺毒 素可以区分肌肉和神经轴突的钠离子通道, 这是传 统的钠离子通道阻断剂河豚毒素所不能的。而来自 织锦芋螺的δ-芋螺毒素则属于一类新的钠离子通 道探针, 与钠离子通道上的一个新的位点结合, 影 响钠离子通道的失活。迄今为止,已被阐明Βιβλιοθήκη Baidu用靶位 的芋螺毒素约有一百余种。已有的研究结果表明, 它们主要作用于各种离子通道和细胞膜上神经递 质和激素的受体, 籍此干扰神经或其它细胞中的信 号传递, 产生很强神经毒性。已经研究清楚的作用 靶位主要包括配体门控的离子通道(乙酰胆碱受体、 NMDA 受体等)、电压门控的离子通道(钠、钾、钙 等离子通道)及 G 蛋白偶联的受体[16]。
国内从 90 年代初期开始了对海葵多肽毒素的 研究, 如从青岛侧花海葵中得到的 ApQ 具有明显 的增强心肌收缩的作用[12]。本实验室从采自湛江的 侧花海葵中分离得到了多个海葵神经毒素基因, 其 中 hk2a 的重组蛋白对慢性充血性心力衰竭新西兰 白兔左心功能的影响研究表明, Hk2a 能够在给药后 即刻明显增加试验兔的左室射血分数。与西地兰治 疗相比具有起效快、作用强等特点。说明重组海葵 神经毒素 Hk2a 能够明显改善 CCHF 新西兰兔的左 心室功能[13]。
doi: 10.3724/SP. J. 1009.2009.00169
1前言
海洋是生命的发源地, 海洋中蕴藏着大量的与 陆地生物不同的、结构新颖、生理功能独特的生物 活性物质及其基因, 因此, 海洋生物成为新型药物 及其它具有药用价值的海洋活性物质的主要源泉。 而海洋生物毒素是海洋活性物质中研究发展最迅 速的领域之一, 也是海洋新型药物研究的热点[1]。 其中, 由基因直接编码的多肽蛋白毒素是天然海洋 生物毒素中毒性最强的毒素, 很多海洋生物的肽类 毒素, 是神经毒素、心血管毒素和细胞毒素等多种 功能毒素的混合物, 这些混合毒素共同作用, 对动 物来说往往都是致命的, 但是, 每种毒素只要严格 的控制剂量, 则分别具有很好的麻醉、升压、降压、 强心、降脂、选择性杀灭癌细胞、抗菌、抗病毒等 作用。这些多肽毒素, 通过与特定的离子通道或分 子受体结合, 产生一定的生理作用。由于不同的海 洋多肽毒素可以在分子水平区分不同的受体或离
【收稿日期】 2009-04-03 【基金项目】国家“863”计划(No: 2008AA09Z401, 2007AA091401, 2006AA090504), 国家自然科学基金(No: 30871921), 广东省自然科 学基金(No: 8151027501000083) 【*通讯作者】徐安龙：教授, 博导, Tel: 020-39332990; Fax: 02039332990; E-mail：lssxal@mail.sysu.edu.cn
2 国内外研究现状及应用前景
2.1 海葵毒素 自从上个世纪七十年代早期, 科研工作者已经
陆续从世界各地不同的海洋生物中分离出了许多 作用于离子通道的多肽毒素。其中海葵毒素是研究 进展比较快的一类海洋多肽毒素。海葵(anthopleura) 属于腔肠动物门(soelenterata)的珊瑚纲(anthozoa), 是海洋中较原始的动物[2]。海葵的触手围绕在口的
海葵触手中还富含一类作用于钾离子通道的 抑制剂, 到目前为止, 从海葵中发现了十几种钾离 子通道抑制剂, 他们是由 35~37 个氨基酸组成的短 肽链, 链内有 6 个半胱氨酸, 形成 3 对二硫键。目 前研究较多的有以下几种：从加勒比海海葵 (Stichodactyla Heliantthus)中提取分离的 ShK[8], 从 海葵 Bunadosoma granulifa 提取的 BgK[9], 从海葵 Anemonia sulcata 中分离的 AsK, 这几种毒素的氨 基酸的序列都作了分析报道。它们能专一地和不同 亚型的钾离子通道膜外蛋白结合, 引起钾通道的关 闭, 还能促进神经传导细胞的乙酰胆碱释放, 它们 和树毒毒素(非洲 mamba 蛇毒液中的一种毒素)竞争 结合钾离子通道膜蛋白。钾离子通道是亚型最多, 最复杂的一种离子通道, 这些毒素是研究钾离子通 道非常有用的工具。钾离子通道海葵毒素在治疗自 身免疫性疾病方面具有良好的前景, 如 Kv1.3 钾通 道亚型被认为是治疗 T-细胞介导的自身免疫性疾 病如多发性硬化症及预防慢性移植物排斥的分子 受体, 而微量的 ShK 能够特异的抑制钾离子通道亚