迄今从蝎毒中分离纯化得到的各种类型神经毒素均是一类单链多肽活性物质。按分子大小, 它们可分为长链和短链两大类。长链类通常指由60-70个氨基酸残基组成, 分子中含有4对二硫键的毒素多肽, 包括α和β型抗哺乳动物毒素, 兴奋型抗昆虫毒素, 抑制型抗昆虫毒素。一型抗昆虫毒素[1-2]。这些毒素多肽均已被证实是选择性地作用于可兴奋性细胞膜上Na+通道的阻断剂[3-4]。此外, 还包括新近发现的一类ryanodine 受体激动剂和拮抗剂等。短链类则为由30-40个氨基酸残基构成, 分子中含有3对二硫键的毒素多肽。它们大多被报道属选择性地与K+通道或Cl-通道相结合的配体, 其中某些呈现出相对较弱的抗昆虫毒性[5]。正是由于上述各类蝎神经毒素的特异功能效应,它们作为十分有价值的探针正推动着神经生物学中涉及相关靶离子通道分子特征及其调控细胞活动和信息传递等分子基础的理论研究。同时, 利用蝎神经毒素多肽的基因或分子模板开发出未来高科技生物新药和生物产品已成为国内外科学家们高度关注的研究课题。在这一方面, 尤其值得一提的范例是, 英国病毒和环境微生物学研究所的Lorna等人曾于1991年首次成功地构建了一个含有蝎抗昆虫毒素基因的杆状病毒杀虫剂 (Nature 1991 352: 85-88)。他们的这一研究成果曾作和一条重要信息被列入日本经济研究开发与市场, 产业动向1991/1992年鉴中(微生物农药一栏第615页)。需要指出的是, 该研究小组选用的是从非洲产A. australisHector蝎毒中纯化的一个属兴奋型抗昆虫毒素(AaH IT) 基因[6]。我们研究小组曾从国产东亚钳蝎毒中不但鉴定到了若干个抑制型和一个α-型抗昆虫毒素, 同样也发现了一个与AaH IT分子基因高度同源的兴奋型抗昆虫毒素多肽(BmK IT ) [7-11]。然而, 自去年初以来, 在英国学术界围绕着新建蝎毒素基因病毒杀虫剂的安全性、有效性及可行性等问题展开了一场尖锐而又激烈的争论。尽管争论的结果导致了原英国牛津病毒和环境徽生物学研究所所长, 也是蝎毒素基因病毒杀虫剂研究课超的负责人和支持者的“被迫卸职”, 并且仍面临着巨大的阻抗, 但并不意味着该研究所对蝎毒素基因病毒研究课题的结束, 相反会促使人们更冷静地思索蝎毒素基因潜在实用前景的科学途径。我们将英国《New Scientist》刊物上两则关于简介这场争论始末的报道作以下介绍, 以期有助于我国从事天然生物毒素基础和应用开发研究的科技工作者能从中获得有益的参考。

1.  蝎抗昆虫毒素基因病毒仍需提高杀伤力

基因工程病毒一旦被用于商业杀虫剂, 将比正在研制的蝎毒素基因病毒效果更好, 这是牛津病毒与环境微生物研究所所长Bishop的观点, 他是一位有争议实验项目的策划人。八年来他致力于运用基因工程的方法试制某种用于消灭粉纹夜蛾(对卷心菜有害) 幼虫的杆状病毒。经改良的病毒携带有蝎毒素蛋白的一个基因。不过Bishop在皇家昆虫协会的一次会议上指出, 目前这种病毒的杀伤力仍尚嫌不足, 因而还不能造福于农民。

   去年夏天, 不顾当地居民和其他科学家的强烈反对, Bishop开始往牛津大学wytham园地中种植的卷心菜上喷洒“蝎毒素基因病毒” 。虽然卷心菜被遮盖, 但喷洒上去的病毒还是有可能转移, 进而影响其它蛾类。有人认为这种做法还可能会导致蝎毒素基因与病毒基因的整合杂交, 从而使病毒具有更大的危险性(参见“ Will the Scorpion generun wild? ” New Scientist, 25June, 1994)。

Bishop认为这些担心纯属过虑, 而生物杀虫剂一定会比化学杀虫剂更为安全可靠。他告诉听众, 正在实验的蝎毒素基因病毒与投产商品之间尚有相当的距离, 目前的成果还不是我们的真正目标, 虽然它杀伤毛虫的速度高于未经改良的病毒, 但还不足以阻止毛虫吞食卷心菜。田间实验结果表明, 改良的病毒比野生病毒杀虫速度提高了15%, 但仍需一周以上的时间才能将毛虫杀死, 而化学杀虫剂则只需要几个小时。Bishop说, 问题在于如何进一步提高病毒的杀虫效率。他的设想, 第一, 将一段带有多个蝎毒素基因拷贝的人工基因片段导入病毒, 使其得以表达更大量的蝎毒素。而目前使用的病毒体系, 其基因序列不但允许可导入的外源基因高达6个, 甚至更多; 第二, 寄希望于找到一种可以快速表达的毒素, 从螨虫分离得到的一种神经毒素便是一类大有可为的蝎毒素取代物; 第三, 将影响毛虫摄食及扰乱其正常发育的昆虫激素基因片段导入病毒。

   但还存在另外一个障碍。在比较各种昆虫对蝎毒的不同敏感程度时, 我们发现敏感性的强弱与昆虫体积大小呈对应关系。Bishop进一步解释, 敏感性的强弱并不取决于毒素的毒性, 而是取决于毒素在寄主体内保持不被裂解的能力。在毛虫吞食病毒之后不久, 毒素即被毛虫体内蛋白酶所裂解, 所以它们只有很短的一段时间可以发挥作用。通过改变毒素的蛋白结构而将其稳定化, 可以促进毒素在毛虫体内更快地累积以便达到致死剂量, Bishop认为, 这是一种提高蝎毒素基因病毒杀虫效率的好办法。但许多科研人员怀疑这种方案的可行性, 不少人明确地表示了他们对方案的保留态度. 牛津大学昆虫学家George McGavin 忧虑地指出, 这将会影响到许多其它种的蛾类和蝶类。在目前已实验过的物种中, 约有一半被证明受到了影响。

针对这项反对意见, Bishop抗辩道, 即使是最敏感的物种, 也只有在遭到大剂量的蝎毒素基因病毒感染之后才会受到伤害, 而只有五个物种属于“极其敏感” 之列, 其余四五十种只是“一般性地敏感”。他说, 最大的问题在于我们不可能去检测全英国2500余种鳞翅目昆虫, 所以唯有评估相对的利弊。很明显Bishop所言直指当前对化学杀虫剂的滥用。

而McGavin则认为, 肯定存在更适合用作杀虫剂的其它病毒. 你可以随心所欲地增强某种病毒的毒性, 前提是你必须知道它确实只对几个特殊物种有作用, 但事实上我们并没有做到这一点。约克大学生物系教授Mark Williams说, 继续B Bishop的研究不能说全无意义。但这种病毒的宿主范围是如此之广, 因而根本就不可能被用作杀虫剂。他尤其关注稳定毒素的提议, 因为这可能进一步扩大它的宿主范围。农业部杀虫剂安全理事会代理负责人Tery Tooby 也表达了同样的关切, 他说,可能性并不意味着合理性, 我非常担心稳定毒素的做法会给环境问题造成更大的隐患(NewScientist,21January, 1995, p6)。

2 蝎毒素基因病毒研究项目负责人“ 被迫卸职”

蝎毒素基因实验的负责人, 英国著名的病毒学家Bishop上周被解聘, 但该项实验很可能仍将继续下去。在一次会议上, 自然环境研究委员会主席John Kreb, 勒令Bishop辞去牛津病毒与环境微生物研究所所长的职务, Bishop被告知他必须在星期五下午五点以前离开他的办公室。Krebs说该决定与Bishop的病毒基因工程实验所引起的反对意见毫无关系。Bishop通过将一个蝎毒素基因导人病毒从而提高后者对卷心菜害虫的杀伤作用, 其目的是试制出比化学杀虫剂对环境危害更小的生物杀虫剂, 环境学家和当地居民反对他的做法, 认为这些病毒会传播到附近的自然资源, 并伤害那些已频临绝种的蛾类的幼虫。Kreb说, 委员会成员在检查了研究所的工作情况之后, 决定将研究所的任务向下述两个方向进行战略转移: 更密切地联系工业和探讨微生物的多样性。Kreb解释道, 为了把力量重新集中到这些项目上来, 我们需要一个新的领导班子, 所以才会有这个决定。

Bishop声称改组后的办所方向与他任职期间并无区别, 而他领导下的各项工作是合乎其要求的。他认为这项决定是“草率而毫无根据的” 。Kreb已任命蟀虫病专家Pat Nuttal 担任代理所长。据Kreb提供的消息, 基因工程病毒实验仍将继续。Bishop实验的最激烈反对者一牛津大学博物馆昆虫馆的副馆长George McGavin说: “这个实验一天不结束, 我的反对就一天不停止” (NewScientist, 25March, 1995, p6)。

 参考文献

本文已见刊于生命科学1996年6月第8卷第6期