□ 張靜怡

楊仕隆

從原核藍(lán)藻類(lèi)開(kāi)始，歷經(jīng)漫長(zhǎng)的歲月，生命完成了從無(wú)到有、從單一到多樣、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的演化過(guò)程。不同形式的生命演繹出不同的生存策略，或以速度制勝，或借偽裝隱藏，甚至進(jìn)化出了天然毒液。豐富多樣的生存策略究竟依賴(lài)著怎樣的物質(zhì)基礎(chǔ)和分子機(jī)制呢？神奇的生命科學(xué)吸引著眾多學(xué)者前來(lái)探秘。

“毒液可以說(shuō)是動(dòng)物實(shí)施捕食與防御策略的典型‘生化武器系統(tǒng)’，是研究動(dòng)物生存策略，尤其是生物性適應(yīng)的理想模型?！敝袊?guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“昆明動(dòng)物所”）研究員楊仕隆介紹說(shuō)。對(duì)于生物性適應(yīng)的研究，楊仕隆另辟蹊徑，利用具有創(chuàng)新性的研究平臺(tái)和手段，通過(guò)對(duì)動(dòng)物毒液的深入研究，實(shí)現(xiàn)了從分子細(xì)胞水平理解動(dòng)物生存策略的分子生態(tài)學(xué)機(jī)制，并發(fā)掘了其毒液中大量的生物活性成分，為相關(guān)藥物的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。

破解“上帝的藥方”

在數(shù)十億年的進(jìn)化過(guò)程中，有毒動(dòng)物為了捕食、防御和競(jìng)爭(zhēng)等，逐漸分泌出可以作用于獵物或捕食者機(jī)體的各種活性特異的多肽，即動(dòng)物多肽毒素。這些毒素分子具有高活性、高專(zhuān)一性，很多都可作為藥物先導(dǎo)活性分子進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因此也被稱(chēng)為“上帝的藥方”。

譬如蜈蚣毒液，這種由其頭部顎肢分泌的黃色黏稠液包含極其復(fù)雜的化學(xué)混合物，可分為蛋白質(zhì)類(lèi)和非蛋白質(zhì)類(lèi)，同時(shí)這些毒素的結(jié)構(gòu)和功能在物種演化過(guò)程中也不斷地進(jìn)化。楊仕隆詳細(xì)地解釋道：“為了行使各種各樣的生命活動(dòng)，毒素在進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生了具有高度多樣性的結(jié)構(gòu)，從而形成了一個(gè)天然的先導(dǎo)分子寶庫(kù)。”其中，動(dòng)物毒液含有的大量多肽類(lèi)物質(zhì)能夠作用于獵物的神經(jīng)、呼吸、循環(huán)等重要生理系統(tǒng)，它們?cè)谟卸緞?dòng)物捕食和防御過(guò)程中都發(fā)揮了重要作用。面對(duì)數(shù)量極其龐大的毒素，如何正確認(rèn)識(shí)并利用它們就成為擺在諸位學(xué)者面前的一道難題。

功到自然成，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在一次次細(xì)致地比對(duì)中，楊仕隆及其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組識(shí)別出蜈蚣等有毒動(dòng)物毒液成分中以SsTx、RhTx、Ssm6a為代表的16個(gè)新型毒素家族，并揭示了這些分子的作用機(jī)制及其在有毒動(dòng)物實(shí)施防御、捕食等策略過(guò)程中起到的重要作用。其以第二完成人身份參與的“有毒動(dòng)物防御與捕食的分子策略”項(xiàng)目榮獲2018年度云南省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。此外，他們從蜈蚣毒液成分中發(fā)掘的4個(gè)候選分子獲得2項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，其中2個(gè)原創(chuàng)性工具分子(SsTx、RhTx)已實(shí)現(xiàn)全球銷(xiāo)售。相關(guān)工作被Nature、Science、華盛頓郵報(bào)、BBC等科學(xué)和大眾媒體作為亮點(diǎn)評(píng)述及報(bào)道，其中1項(xiàng)發(fā)現(xiàn)已被錄入美國(guó)、法國(guó)中小學(xué)科普教材。

變毒物為藥物

眾所周知，被蝎子蜇傷后會(huì)產(chǎn)生劇烈的疼痛感。然而這種疼痛是由哪種毒素通過(guò)哪些受體來(lái)實(shí)現(xiàn)的呢？其背后的分子機(jī)制又是怎樣的呢？2017年8月，Science Advances在線發(fā)表了一篇題為“A bimodal activation mechanism underlies scorpion toxin-inducedpain”（蝎子毒素引起疼痛的分子組合拳機(jī)制）的論文，揭示了蝎毒BmP01利用毒液的酸性化學(xué)環(huán)境，低廉而高效地激活TRPV1的“分子組合拳”機(jī)制，為臨床上對(duì)蝎子蜇傷的認(rèn)識(shí)和治療提供了重要的理論基礎(chǔ)，并為鎮(zhèn)痛藥物的研發(fā)提供了新的理論模型。

這正是昆明動(dòng)物所天然藥物蛋白質(zhì)組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校合作多年的研究成果之一。楊仕隆解釋說(shuō)：“我們通過(guò)學(xué)習(xí)毒素的結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)，來(lái)了解受體的工作方式，可以說(shuō)是毒素教會(huì)了我們調(diào)控受體的新模式?！笔荏w是一類(lèi)介導(dǎo)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能蛋白質(zhì)，能識(shí)別周?chē)h(huán)境中某些微量化學(xué)物質(zhì)，并可首先與之結(jié)合，還能通過(guò)中介的信息放大系統(tǒng)，觸發(fā)后續(xù)的生理反應(yīng)或藥理反應(yīng)。

近期，該研究小組在蜈蚣毒素研究方面也取得了可喜成績(jī)。他們揭開(kāi)蜈蚣快速捕殺大型獵物的分子機(jī)制之謎，并基于此研究發(fā)現(xiàn)臨床藥物“瑞替加濱”能夠靶向性地消除由蜈蚣叮咬產(chǎn)生的嚴(yán)重臨床癥狀。相關(guān)研究成果已于2018年1月22日發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》。

雖然全球?qū)︱隍级舅氐难芯恳延袛?shù)十年的歷史，但都集中于對(duì)蜈蚣毒素的結(jié)構(gòu)功能多樣性及蜈蚣活性分子的成藥潛力的探究，而對(duì)于蜈蚣叮咬導(dǎo)致的臨床癥狀僅有病例報(bào)道，并無(wú)機(jī)制方面的研究?！叭虿簧俚貐^(qū)蜈蚣叮咬頻發(fā)，人類(lèi)亟待理解蜈蚣叮咬的致病機(jī)制，尤其是那些極為危險(xiǎn)的癥狀。”楊仕隆說(shuō)道。

2019年研究生畢業(yè)答辯

為此，他們從人類(lèi)的中毒癥狀入手，分析臨床病例，再?gòu)目赡艿恼T發(fā)因素中排除?！巴ㄟ^(guò)我們的文獻(xiàn)及臨床病例調(diào)研發(fā)現(xiàn)，臨床重癥病人出現(xiàn)的共同特點(diǎn)是心肌缺血、心衰、呼吸抑制、心電圖T波倒置?！睏钍寺〗忉屨f(shuō)，“進(jìn)而發(fā)現(xiàn)這可能是由于血管痙攣造成的。而能夠?qū)е卵墀d攣和呼吸抑制的原因不多，靶點(diǎn)的最大可能是離子通道?！弊罱K研究人員發(fā)現(xiàn)，蜈蚣能快速捕食嚙齒類(lèi)動(dòng)物和導(dǎo)致嚴(yán)重臨床癥狀的原因都是一個(gè)：另一種多肽毒素（SsTx）阻斷KCNQ離子通道的功能，從而導(dǎo)致獵物心臟、呼吸和神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，使其能高效捕食獵物。楊仕隆進(jìn)一步解釋說(shuō)：“我們?cè)谛∈蠛挽`長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物模型上開(kāi)展的研究發(fā)現(xiàn)，KCNQ激動(dòng)劑‘瑞替加濱’能夠靶向性地治療蜈蚣毒引發(fā)的各種癥狀?！?/p>

2019年團(tuán)隊(duì)成員合影

此外，楊仕隆還補(bǔ)充道：“動(dòng)物毒液中還存在一些非常有意義的毒素，它們可以調(diào)控人類(lèi)重要的蛋白質(zhì)機(jī)器，進(jìn)而控制人類(lèi)的感覺(jué)、循環(huán)和認(rèn)知等。這些毒素作為探針，對(duì)于我們理解人類(lèi)的生理反應(yīng)產(chǎn)生原理有重要意義，同時(shí)也是在未來(lái)對(duì)這些生理反應(yīng)加以控制的理論基礎(chǔ)?！?/p>

目前，人類(lèi)對(duì)于生存策略分子基礎(chǔ)的探索猶如冰山一角。除生物因素外，非生物因素也在生存策略的物質(zhì)基礎(chǔ)和分子機(jī)制研究中扮演著不容忽視的角色，比如對(duì)外界溫度和化學(xué)刺激的感知?！拔覀冏钚碌难芯勘砻?，‘溫度感知元件’TRPV1的熱失活對(duì)于高等哺乳動(dòng)物而言是一個(gè)至關(guān)重要的高溫保護(hù)機(jī)制”。楊仕隆介紹說(shuō)，“該研究成果以我們2015年發(fā)表于《自然·通訊》的研究工作為基礎(chǔ)，利用毒素分子RhTx為探針，闡明了TRPV1發(fā)生熱失活的分子機(jī)制?！边@一新研究成果已發(fā)表于2019年5月的《自然·通訊》雜志?！拔磥?lái)我們會(huì)增加非生物適應(yīng)機(jī)制研究的比重，例如環(huán)境溫度的適應(yīng)機(jī)制及我們2018年發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)公共圖書(shū)館·生物學(xué)》的動(dòng)物對(duì)化學(xué)刺激適應(yīng)分子機(jī)制，依靠新的研究手段、獨(dú)特的視角，去破解生命科學(xué)的奧秘?！睏钍寺〕錆M信心地說(shuō)。