項(xiàng)目名稱(chēng)：    蝎和芋螺中活性多肽毒素結(jié)構(gòu)與功能的研究

推薦單位：    中國(guó)科學(xué)院

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    本項(xiàng)目屬于生物學(xué)中的蛋白質(zhì)研究.

多肽毒素是一類(lèi)特殊的生命物質(zhì)，對(duì)它們的研究與了解是一個(gè)重要的基礎(chǔ)生物學(xué)問(wèn)題。蝎和芋螺產(chǎn)生的多肽毒素能作用于神經(jīng)系統(tǒng)中多種離子通道和神經(jīng)遞質(zhì)的受體，可作為新藥的先導(dǎo)化合物或直接開(kāi)發(fā)成治療不同神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新藥。我國(guó)擁有豐富的生物毒素資源。研究其中的新型毒素，具有重要的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

本項(xiàng)目對(duì)東亞馬氏鉗蝎中的多個(gè)鈉通道毒素的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，解析了五個(gè)代表性毒素的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)定點(diǎn)突變，詳細(xì)闡明了這類(lèi)毒素的活性位點(diǎn)和種屬選擇性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。還發(fā)現(xiàn)了其它具有不同新功能的鈉通道毒素，其中包括具有鎮(zhèn)痛活性的BmK IT-AP和抗癲癇活性的BmK AEP等。

本項(xiàng)目還研究了蝎毒中多個(gè)作用于鉀通道和氯通道的新型短鏈毒素，發(fā)現(xiàn)了能選擇性作用于BK通道的毒素BmBKTx1、SK通道毒素BmSKTx1和具有雙功能面的毒素BmTx3等，測(cè)定了它們的結(jié)構(gòu)和功能；還通過(guò)定點(diǎn)突變研究找到了SK通道毒素BmP05的活性和選擇性相關(guān)位點(diǎn)。

此外還從中國(guó)南海芋螺中純化及克隆到100多個(gè)新的芋螺毒素，涵蓋了A-、O-、M-和T-等多個(gè)超家族，不僅包括唯一被發(fā)現(xiàn)能增強(qiáng)鉀電流的生物毒素kappa-BtX和作用于TTX-不敏感鈉通道的mu-SIIIA，還包括多個(gè)具有全新序列和結(jié)構(gòu)的新型毒素。

發(fā)表論文40篇，37篇被SCI收錄，被SCI他引445次。一些主要研究結(jié)果被本領(lǐng)域的Review文章詳細(xì)引述.主要完成人戚正武與歐洲毒素協(xié)會(huì)主席共同撰寫(xiě)有關(guān)東亞馬氏鉗蝎毒素研究的綜述，在13屆國(guó)際毒素會(huì)議上作大會(huì)報(bào)告，被邀評(píng)審美國(guó)自然科學(xué)基金有關(guān)芋螺毒素的項(xiàng)目申請(qǐng)，多次評(píng)審國(guó)際期刊中有關(guān)毒素的研究論文；王大成曾受邀在第七屆亞太生化與分子生物學(xué)會(huì)議,第一屆國(guó)際天然毒素會(huì)議和全國(guó)性會(huì)議做邀請(qǐng)報(bào)告。這表明本研究已處于該領(lǐng)域國(guó)際前沿，在國(guó)內(nèi)外已產(chǎn)生相當(dāng)影響。戚正武與王大成為本項(xiàng)目的共同申報(bào)人。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  1. 從東亞馬氏鉗蝎中純化并研究了一系列代表性蝎哺乳動(dòng)物毒素，并解析了它們的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了alpha-like類(lèi)毒素特征性的反常順式肽鍵，并發(fā)現(xiàn)對(duì)不同毒素分子生物毒性強(qiáng)弱的"電荷調(diào)節(jié)途徑"。相關(guān)論文1, 7 14, 16, 19, 20, 31, 38。

2. 在成功建立高效的酵母表達(dá)體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)蝎鈉通道毒素BmK M1進(jìn)行了詳細(xì)深入的定點(diǎn)突變研究，闡明其重要的生物活性關(guān)鍵部位和種屬選擇性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，揭示了其生物活性的主要分子基礎(chǔ)，在分子水平上對(duì)該類(lèi)蝎毒素的結(jié)構(gòu)－功能關(guān)系研究提供了深層次的新認(rèn)識(shí)。相關(guān)論文2, 15, 26, 28, 36。

3. 從東亞馬氏鉗蝎中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)新型鉀通道毒素，包括一個(gè)專(zhuān)一性作用于昆蟲(chóng)來(lái)源BK通道的毒素BmBKTx1，是至今已知唯一能作用于果蠅BK通道的毒素，對(duì)果蠅這種重要的模式生物的研究很有意義；一個(gè)有雙功能面的鉀通道毒素BmTx3，它既能作用于A型鉀通道，還能作用于HERG通道，可能是分子進(jìn)化中的一種過(guò)渡態(tài)；一個(gè)專(zhuān)一性作用于SK通道的毒素BmSKTx1等。另外通過(guò)定點(diǎn)突變，對(duì)SK通道毒素BmP05進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究，奠定了對(duì)這類(lèi)毒素活性位點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。在以上工作的基礎(chǔ)上，提出了這類(lèi)毒素作用于鉀通道的兩種不同作用機(jī)理。論文3, 4, 6, 30, 32, 35。

4. 從中國(guó)南海桶形芋螺中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能特異性增強(qiáng)BK電流的新型芋螺毒素kappa-BtX，這個(gè)毒素的結(jié)構(gòu)和功能都很獨(dú)特，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)能增加鉀電流的生物毒素；還從線紋芋螺中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能特異性作用于河豚毒素不敏感鈉通道的芋螺毒素mu-SIIIA。因?yàn)檫@種鈉通道與痛覺(jué)傳遞有關(guān)，這個(gè)毒素具有開(kāi)發(fā)為鎮(zhèn)痛藥的潛能。論文5, 39。

5. 從東亞馬氏鉗蝎中發(fā)現(xiàn)了具有鎮(zhèn)痛活性的組分BmK IT-AP和具有抗癲癇活性的組分BmK AEP，它們的特殊活性可能與全蝎一直在中藥中用于治療一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。相關(guān)論文9, 24。

以上工作均屬生物化學(xué)領(lǐng)域的蛋白質(zhì)研究。

主要完成人：  1.   戚正武

本項(xiàng)目的總負(fù)責(zé)人和實(shí)施者，于1995年提出了進(jìn)行毒素研究的整體思路和課題的具體方案，并在具體操作過(guò)程中指導(dǎo)項(xiàng)目的實(shí)施。在研究蝎毒素的基礎(chǔ)上，能緊跟學(xué)科的發(fā)展進(jìn)一步開(kāi)展芋螺毒素的研究，擴(kuò)大了研究范圍。對(duì)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的2，3，4，5有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，在本項(xiàng)目中的工作量占總工作量的80％。

2.   王大成

中國(guó)東亞馬氏鉗蝎鈉通道毒素三維結(jié)構(gòu)及其與功能關(guān)系研究的提出人，研究全程負(fù)責(zé)人，主持研究方案制訂、計(jì)劃實(shí)施、結(jié)果解析和論文撰寫(xiě)，是這方面全部論文的通訊作者。對(duì)該成果的總體貢獻(xiàn)與戚正武先生等同，是具有同等地位的成果獎(jiǎng)共同申報(bào)人。對(duì)1，2，5項(xiàng)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，在該項(xiàng)研究中的工作量占總工作量的80％。

3.   王春光

對(duì)蝎鈉通道毒素BmK M1的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)新的蝎神經(jīng)毒素，包括抗癲癇肽，抑制型昆蟲(chóng)毒素，BmKX等，并闡明了它們的蛋白和基因結(jié)構(gòu)。對(duì)本項(xiàng)目中的主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2和5的工作有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，在本項(xiàng)目中的工作量占本人總工作量的100％。

4.   許琛琦

在蝎短鏈神經(jīng)毒素研究中，發(fā)現(xiàn)了多種新型鉀離子通道毒素，研究了它們的結(jié)構(gòu)和功能，提出了鉀通道毒素的兩種作用機(jī)理。對(duì)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，在本項(xiàng)目中的工作量占本人總工作量的100％。

5.   范崇旭

率先對(duì)芋螺毒素的成分進(jìn)行研究，分離純化到多種活性多肽，闡明了它們的蛋白與基因結(jié)構(gòu)。其中桶形芋螺毒素k-BtX是目前所知的唯一一個(gè)鉀離子通道開(kāi)放劑，屬于一個(gè)新的超家族。此工作在國(guó)際同行中有較大影響。對(duì)主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，在本項(xiàng)目中的工作量占本人總工作量的50％。

10篇代表性論文：  1.   Crystal structures of two alpha-like scorpion toxins: Non-proline cis peptide bonds and implications for new binding site selectivity on the sodium channel./Journal of Molecular Biology

2.   Exploration of the functional site of a scorpion alpha-like toxin by site-directed mutagenesis./Biochemistry

3.   Turret and pore block of K+ channels: what is the difference?/Trends in Pharmacological Sciences

4.   BmBKTx1, a novel Ca2+-activated K+ channel blocker purified from the Asian scorpion Buthus martensi Karsch./Journal of Biological Chemistry

5.   A novel conotoxin from Conus betulinus, kappa-BtX, unique in cysteine pattern and in function as a specific BK channel modulator./Journal of Biological Chemistry

6.   Gene expression, mutation, and structure-function relationship of scorpion toxin BmP05 active on SKCa channels./Biochemistry

7.   Crystal structure of an acidic neurotoxin from scorpion Buthus martensii karsch at 1.85 angstrom resolution./Journal of Molecular Biology

8.   The cDNA and genomic DNA sequences of a mammalian neurotoxin from the scorpion Buthus martensii Karsch./Toxicon

9.   Molecular characterization of a new excitatory insect neurotoxin with an analgesic effect on mice from the scorpion Buthus martensi Karsch./Toxicon

10.  Genomic organization of three neurotoxins active on small conductance Ca2+-activated potassium channels from the scorpion Buthus martensi Karsch./FEBS Letters