神经毒素的秘密

Secret of The Neurotoxins

神经毒素（Neurotoxin）泛指能影响神经系统正常机能，造成神经信息编码紊乱，信息传导终止或信息传输停顿，产生病理性细胞反应与肌体功能异常的一类分子，其中包括自然界有毒生物物种诸如陆生的蛇、蝎、蜂、蜘蛛，海生的海葵、芋螺等动物毒腺分泌的肽类物质；由属桑科植物的箭毒木（又名火药树），属茄科野生直立木质草本植物的曼陀罗（又名枫茄花、狗核桃、万桃花、洋金花、醉心花、闹羊花），属百合科的藜芦和毛茛科的乌头等有毒植物中提炼的多环、杂环或萜类生物碱等有机化合物等（图1）^[1]。然而，天然神经毒素的结构多样性、功能的复杂性、离体活性和整体效应的吻合、对靶标的选择性和敏感性及其相互作用的分子机制、被波及的神经信号通路，神经信息的重组修复以及药用的可能性与空间等仍充满层层未解的迷惑。

图1：部分天然神经毒素的分子结构

天然神经毒素分子结构的多样性和复杂性决定了其毒理功能效应与特异性。以著名的产自于我国南方银环蛇的神经毒素为例，一类为既作用于神经-肌肉接头的突触前膜，又兼有磷脂酶A2活性的多肽被统称为b-型银环蛇毒素(b-bungarotoxin)。我国江浙产蝮蛇的毒性也以该类毒素(Agkistrodontoxin)为主。另一类为作用于神经-肌肉接头的突触后膜，可特异地与后膜上的胆碱能受体结合，阻遏运动神经末梢乙酰胆碱的动态释放过程，导致骨骼肌松弛的多肽被统称为a-型银环蛇毒素(a-bungarotoxin)。从非洲黑曼巴蛇毒液中分离纯化的一个被命名为Fasciculin神经毒素多肽则是迄今在自然界中被发现的最强乙酰胆碱酶抑制剂^[2]。

膜离子通道已被确定是众多天然神经毒素作用的易感靶标，但神经毒素对靶通道的药理结合与调制方式迥异。目前已证实仅在膜钠离子通道蛋白上已发现了至少6个天然神经毒素的特异结合靶位点。这些天然神经毒素要么如同塞子般地阻塞了钠通道的膜外孔道。其代表性毒素为河豚毒素(tetrodotoxin, 简称TTX)。要么与钠通道的膜外结构域链接环或镶嵌在膜内的微结构域特异结合，调制通道的生理功能，或激活通道的活化过程，或延长通道的失活化过程，从而改变通道对离子的通透性，影响细胞动作电位的产生与传导，干扰神经信号传递，异化细胞的兴奋性^[3]。其代表性毒素长链蝎毒素多肽(scorpion neurotoxic polypeptide)、肽类海葵毒素(anemonetoxin)、肽类蜘蛛毒素(spider neurotoxic peptide)、木藜芦毒素（grayanotoxin）、藜芦碱(veratridine)、乌头碱（Aconitine）、蛙皮毒素（Batracotoxin）以及西加毒素(Ciguatoxin)和短裸甲藻毒素(Brevetoxins)等。此外，另有相当数量的天然生物神经毒素被发现可特异地阻断膜钾或钙或氯离子通道的生理功能，他们大多为由20-50个氨基酸残基组成的短链多肽。例如，命名为Dendrotoxin的非洲曼巴蛇毒素被认为是不可多得的特异性电压门控钾离子通道亚型阻断剂，国际试剂市场商品化的charybdotoxin, iberiotoxin, kaliotoxin，scyllatoxin等短链蝎毒素多肽已是当下研究大电导钙激活钾通道(BKca)和相关电压门控钾离子通道亚型 (Kv)的必选特异性探针工具物；蜂毒素Apamin是一个特异阻断中枢神经系统小电导钙激活钾通道(SKca)的小分子多肽；芋螺毒素v-conotoxin MVIIA由25个氨基酸残基组成，可特异地拮抗神经系统N-型钙离子通道，已被研发为治疗临床剧痛药物（药品名Prialt）; 另一小分子蝎毒素多肽Chlorotoxin有望成为鉴定脑肿瘤氯离子通道分布与表达的示踪剂等。利用特异性抗昆虫蝎神经毒素的基因构建新型通道型生物杀虫剂一度曾是学界为之振奋的美景。以独特的蝎神经毒素多肽致密分子骨架设计稀缺的通道针对性新分子仍是当下学界不离不舍的孜孜追求^[4]。

随着膜通道亚型分类知识的积累，生物神经毒素对不同类型膜通道敏感亲和力和药理精细调制远超出人们的预估。换言之，生物神经毒素对靶通道的特异性和敏感性不仅取决于毒素的给药方式、浓度和毒素的结构特征，也受制于靶通道的活动状态、靶位点微结构域的微妙变异和细胞内外环境等多重因素。对此，河豚毒素（TTX）可谓典型, 它可选择性地专一识别膜钠离子通道，对脑型钠通道（亚型-1、-2和-3）、骨骼肌钠通道（亚型-4）以及周边神经元钠通道亚型-6和-7均高度敏感，却对心肌型钠通道（亚型-5）和外周神经元钠通道亚型-8和9失敏，前者统称为TTX敏感的钠通道，后者统称为TTX不敏感的钠通道。相似的特性也可鲜明地被蝎神经毒素验证，BmK I是东亚钳蝎的主要毒性多肽成分、属特异性钠通道位点3调制剂家族。整体动物测试水平上，无论腹腔注射或脑室给药，BmK I均可有效地致使哺乳类动物或昆虫物种的实验动物痉挛抽搐，麻痹死亡，强烈地抑制DRG神经元TTX敏感和TTX不敏感钠通道的失活化过程，增强峰钠电流，对TTX敏感钠通道（亚型-6和-7）的调制效应似乎更强于对TTX不敏感钠通道（亚型-8和-9）的调制。高剂量的BmK I也可有效地调制心肌型钠通道（亚型-5）。然而，有别于以AaH II为代表的经典特异性钠通道位点3调制剂的药理活性，BmK I不仅缺失对离体蝎自身神经纤微钠通道受体的调制能力，也难以检测到其与大鼠脑突触体膜钠通道受体（脑型钠通道亚型-1、-2和-3）的离体相互结合能力。只在高浓度给药的前提下，BmK I方有能力诱导异源表达的脑型钠通道亚型-2产生持续性钠电流。相对而言，AaH II则可与大鼠脑突触体膜钠通道受体高亲和力地结合，却缺乏对昆虫物种的毒性效应。或许因T-型钙通道在分子进化上的亲源性关系更接近于电压门控钠通道的缘故，另一被命名为Kurtoxin的蝎毒素多肽，尽管其分子序列与骨架结构与钠通道位点3调制剂家族高度同源，却可有效地调制T-型钙通道的电生理动力学参数。东亚钳蝎毒素BmK AS与同一品种蝎毒中分离获得的BmP09多肽间共享99.5%的序列结构一致性，仅因BmP09在C-末端一个巯基化Met-66的变异，导致了BmP09演变为一个强BKca通道抑制剂^[5]。蝎神经毒素这一共享结构相似性，却在药理功能上微妙分化的非寻常特性也屡屡在其他物种天然神经毒素得到印证，无疑是个仍有待攻克的未解之谜。

第58位正电荷残基曾被认定是a-型蝎神经毒素多肽的唯一活性中心，该部位正电荷残基的变异可导致毒素的活性几乎完全丧失。然而，对比两个东亚钳蝎神经毒素多肽BmK I和BmK II的序列结构，两者间仅有两个天然残基变异：BmK I-59-Val被BmK II-59-Iie取代，BmK I-62-Lys被BmK II-62-Asn取代，生物毒性却相差7倍，显然，第62位正电荷残基也参与了蝎神经毒素多肽的活性中心^[6]。由此，对蝎神经毒素多肽活性中心的理解应持’由点到面’的立体概念。

在离体标本实验条件下，神经毒素施加剂量的增加往往会导致其与靶标的非特异性结合。Martentoxin是个新型BKca通道阻断剂^[7]，但高剂量给药时，则可有效地抑制大鼠海马神经元的峰钠电流^[8]。此外，值得一提的是，有些神经毒素的生物活性和药理效应呈单纯的线性剂量依赖关系，有些则呈非线性剂量依赖关系。被命名为BmK IT2和BmK AS的两类东亚钳蝎毒素多肽均归属于b型蝎神经毒素家族，即钠通道位点4调制剂家族，它们均可有效地改善或缓解疼痛或癫痫病理模型的动物行为学特征^[9], 显著地压抑初级传入神经元的峰钠电流，减少其动作电位的发放频率。然而，新近的研究结果发现，BmK AS在低浓度和高浓度两个给药剂量下，均可使异源表达脑型钠通道1.2a亚型的非洲爪蟾卵母细胞钠电流活化和失活化的电压依赖性去极化，但在中间浓度的给药剂量下，其参数却被超极化。同样类似的U型剂量效应也在ND7-23 细胞上被验证。究BmK AS的非线性药理调制特征，或许可归结于该类毒素有别于其他类型毒素在钠通道的单一结合位点模式，即BmK AS在钠通道靶器上有两个结合位点：一个为高亲和力低容量，另一个则是低亲和力高容量^[10]。

常言道，一个把掌拍不响。神经毒素独具的功能特异性决定了相对聚焦视野的靶受体，意味着毒素与受体犹如一对‘矛与盾’的互动辨证关系。因此，解秘神经毒素，不仅需逐一弄清其化学与基因编码的分子结构，并定性其药理特征，更需从靶受体的认定、应答能力、分子敏感的结构域和被涉及的关键性残基、动态活动、糖基化与磷酸化程度、细胞活动与动物行为学异化特征等多因素，多层次、全方位地加以深度探究，方能全面深刻地解开神经毒素的功效，化毒为宝。

参考文献：

[1]《Animal Toxins: State of the Art; Perspectives of health and technology》. Editora UFMG, 2009. ISBN:978-85-7041-735-0

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[4] De Lima ME, Figueiredo SG, Pimenta AM, Santos DM, Borges MH, Cordeiro MN, Richardson M, Oliveira LC, Stankiewicz M and Pelhate M. Peptides of arachnid venoms with insecticidal activity targeting sodium channels. Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. 2007,146(1-2):264- 279.

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[7] Ricardo C. Rodrı´guez de la Vega, Enrique Merino, Baltazar Becerril and Lourival D. Possani. Novel interactions between K⁺ channels and scorpion toxins. TRENDS in Pharmacological Sciences, 2005,280:15,14819–14828

[8] Shi J., He HQ., Zhao R., Duan YH. Chen Y., Chen Y., Yang J., Zhang JW., Shu XQ., Zheng P., Ji YH. Inhibition of Martentoxin on Neuronal BK Channel Subtype (a1+b4): Implications for a Novel Interaction Model. Biophysical J., 2008, 94:3706–3713

[9] Zhao R., Zhang XY., Yang J., Weng CC., Jiang LL., Zhang JW., Shu XQ., Ji YH. Anticonvulsant effect of BmK IT2, a sodium channel-specific neurotoxin, in rat models of epilepsy. Brit.J.Pharmacol., 2008,154: 1116-1124

[10] Zhu MM., Tao J., Tan M, Yang HT., Ji YH. U-shaped dose-dependent effects of BmK AS, a unique scorpion polypeptide toxin, on voltage-gated sodium channels. Brit.J.Pharmacol., 2009, 158:1895–1903