作用于離子通道的蝎毒素研究進(jìn)展

范紅波 黃欣媛

(1.湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)部 湖北孝感 432000；2.湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 湖北孝感 432000)

蝎毒（Scropion Venom）是活蟹尾部毒囊中分泌的毒液，具有多種生理學(xué)活性，臨床主要應(yīng)用于鎮(zhèn)痛、抗腫瘤、抗血栓、抗蟲等。蝎毒素是蝎毒的主要活性成分，已報(bào)道的多達(dá)700余種。蝎毒素也稱蝎毒多肽，指蝎毒中的一類20～80個氨基酸殘基的小分子肽，通常含一個α螺旋，通過2～3個二硫鍵與反向平行β折疊連接。每種蝎毒中約含有70余種蝎毒素，具有很強(qiáng)的多態(tài)性。

蝎毒作用于昆蟲、哺乳動物、無脊柱動物等會引起中毒，出現(xiàn)中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)興奮性失調(diào)、細(xì)胞膜不穩(wěn)定等生理效應(yīng)，主要是通過蝎毒素調(diào)節(jié)可興奮膜中的各種離子通道來介導(dǎo)的。按照特異性作用的離子通道類型進(jìn)行分類，蝎毒素可分為Na+通道、K+通道、Cl-通道和Ca2+通道蝎毒素四大類。其中60～80個氨基酸殘基的長鏈蝎毒素多作用于Na+和Ca2+通道，而20～40個氨基酸殘基的短鏈蝎毒素多作用于K+和Cl-通道。當(dāng)前，蝎毒素的研究熱點(diǎn)主要是其結(jié)構(gòu)解析及其與離子通道高親和性作用的分子機(jī)制，這些研究在神經(jīng)信號傳遞、感覺-運(yùn)動系統(tǒng)和興奮-收縮耦合等病理生理學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。

一、Na+通道蝎毒素

電壓門控Na+通道（Nav）在可興奮細(xì)胞的質(zhì)膜上負(fù)責(zé)動作電位的啟動和傳播，是神經(jīng)系統(tǒng)正常運(yùn)作的基礎(chǔ)，因而靶向Nav的蝎毒素是蝎毒導(dǎo)致動物麻痹和死亡的主要成分。Nav蝎毒素通常為58～76個氨基酸殘基，含有由4個二硫鍵固定起來的結(jié)構(gòu)核心。根據(jù)功能不同分為α-或β-蝎毒素。α-蝎毒素靶向Nav神經(jīng)毒素結(jié)合位點(diǎn)3（結(jié)構(gòu)域IV的S3～S4環(huán)），減緩或抑制通道失活，誘導(dǎo)通道長時間開放、持續(xù)激活。β-蝎毒素與Nav神經(jīng)毒素結(jié)合位點(diǎn)4（結(jié)構(gòu)域Ⅱ的S1～S2和S3～S4的胞外環(huán)以及結(jié)構(gòu)域Ⅲ的孔道區(qū)）結(jié)合，使Nav超極化，降低Na+電流峰值[1]。

迄今為止，有詳細(xì)功能研究的Nav蝎毒素有60多種[2]，不同蝎毒素對Nav的親和力有顯著差異，作用濃度從100pM到30mM不等。約20種蝎毒素對通道具有高度選擇性，僅作用于某一特定的Nav亞型，如AaH I（Androctonus australis Hector）和BmK αIV（Buthus martensii Karsch）專一性作用于Nav1.2，Tf2（Tityus fasciolatus）是唯一鑒定的Nav1.3選擇性激活劑，在1mM濃度下對非洲爪蟾卵母細(xì)胞中的Nav1.1～1.2以及Nav1.4～1.8通道都沒有作用[3]。而另一些蝎毒肽作用于多種通道亞型，如MeuNaTxα-5（Mesobuthus eupeus）和OD1（Odonthobuthus doriae）都能作用于Nav1.3～1.7五種通道。

在作用于同一離子通道亞型的蝎毒素中，蝎毒素種類不同，親和力也不同。如對Nav1.1具有最大的親和力的是Cn8（解離常數(shù)Kd=140nM），Nav1.2最有效的抑制劑是Amm VIII（Androctonus mauretanicus）和AaH2，半最大有效劑量EC50分別為29nM和2.6nM。

二、K+通道蝎毒素

K+通道有電壓門控鉀通道（Kv）、Ca2+激活的鉀通道（KCa）、內(nèi)向整流鉀通道（Kir）、ERG鉀通道等多種類型，能降低細(xì)胞興奮性，促進(jìn)細(xì)胞動作電位復(fù)極化。K+通道蝎毒素（KTx）能調(diào)節(jié)多種生理活動，如神經(jīng)元活動、神經(jīng)遞質(zhì)釋放和激素分泌、淋巴細(xì)胞活化、肌肉收縮和心臟周期等[4]。大多數(shù)KTx三維結(jié)構(gòu)具有相似性，含有一個起穩(wěn)定作用的Csαβ模體。根據(jù)氨基酸序列和半胱氨酸位置的保守性，分成α-、β-、γ-和κ-KTx四個族。其中，α-KTx成員最多，有30個亞族，多為短鏈肽，能侵入通道的K+選擇孔，阻斷Kv1、KCa2和KCa3中的離子傳導(dǎo)，或者結(jié)合于KCa2帶負(fù)電的胞外環(huán)從而阻斷K+通道。β-KTx族為長鏈肽（60～65個氨基酸殘基），分子內(nèi)含有3個二硫鍵，具有顯著的抗菌作用。γ-Ktx族的Ergtoxin能阻斷ERG鉀通道，它由42個氨基酸組成，氨基酸序列和α-KTx和β-KTx很不一樣。而κ-KTx被稱為Hefutoxin，缺乏其他族KTx分子中保守的Csαβ模體。

（一）作用于電壓門控鉀通道（Kv）的蝎毒素

從通道具體亞型來看，KAaH1對Kv1.1具有特異性，IC50為5nM。Kv1.3的最特異性抑制劑是Vm24（Vaejovis mexicanus smithi），Kd為2.9pM。Kv1.4最特異的抑制劑是κ-KTx 2.5（Opisthacanthus cayaporum），盡管需要相對較高的濃度才能發(fā)揮作用（IC50=71μM），但它對其他10種Kv和5種Nav無作用[5]。與此相對，迄今為止尚未鑒定出特別特異的Kv1.5或Kv1.6阻斷劑。

（二）作用于鈣激活鉀通道（KCa）的蝎毒素

靶向于KCa的有20余種蝎毒多肽，其中，作用于大電導(dǎo)鈣激活鉀通道（BKCa）的蝎毒素大部分起抑制作用，最有效的抑制劑是Iberiotoxin（Buthus tamulus），其次是Slotoxin（Centruroides noxius Hoffmann），作用濃度均為nM級。

作用于中電導(dǎo)鈣激活鉀通道（IKCa）和小電導(dǎo)鈣激活鉀通道（SKCa）的所有蝎毒素都是抑制性的，IKCa最有效和最特異性的抑制劑是Maurotoxin（Maurus palmatus），IC50為1.1nM；而選擇性作用于SKCa的最有效的抑制肽是Tamapin（Mesobuthus tamulus），對SK2的IC50為24pM，不影響IKCa。

三、Cl-通道蝎毒素

Cl-通道成員眾多，包括鈣激活Cl-通道、大電導(dǎo)Cl-通道、囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)劑（CFTR）等，調(diào)控多種生理功能。在靶向Cl-通道的蝎毒素中，最引人注目的是從Leiurus quinquestriatus蝎毒液中純化的Chlorotoxin，由36個氨基酸組成，含4個二硫鍵，能特異性作用于神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞獨(dú)有的Cl-通道，抑制原發(fā)性膠質(zhì)瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移，在藥物研發(fā)中具有重要作用。對包括膠質(zhì)瘤、黑色素瘤、小細(xì)胞肺癌、神經(jīng)母細(xì)胞瘤和髓母細(xì)胞瘤在內(nèi)的癌細(xì)胞都具有靶向性[6]，可用于腫瘤診斷、成像和治療。

GaTx1（Leiurus quinquestriatus hebraeus）是目前鑒定出的能調(diào)節(jié)CFTR通道的唯一的蝎毒素，能從胞漿側(cè)阻斷通道，IC50為48nM。該肽對CFTR通道顯示出高度特異性，能用于定量研究CFTR開—關(guān)構(gòu)象改變和功能[7]。

四、Ca2+通道蝎毒素

Ca2+通道主要有電壓門控（Cav）、配體門控和電壓非依賴性通道三種類型。Cav在可興奮細(xì)胞的質(zhì)膜內(nèi)形成異源寡聚物，是癲癇、慢性疼痛、心力衰竭和高血壓的病理基礎(chǔ)。影響Ca2+通道的蝎毒素有十余種，主要結(jié)合在跨膜孔α亞基上。Kurtoxin（Parabuthus transvaalicus）是為數(shù)不多的抑制Cav的蝎毒素之一，由63個氨基酸組成，含有4個二硫鍵，分子表面疏水性和正電荷區(qū)域較大，對低壓激活鈣通道Cav3.1和Cav3.2有高親和力，后發(fā)現(xiàn)其也能抑制高壓激活鈣通道Cav1和Cav2，也能作用于Nav1.2、Nav1.5和Nav1.6等Na+通道。

蘭尼堿受體（Ryanodine receptor，RyR1-3）是一類廣泛分布于骨骼肌、心肌和動脈平滑肌細(xì)胞中的配體門控Ca2+通道，靶向這些通道的蝎毒素稱為Calcin。Calcin由33～35個氨基酸組成，內(nèi)含3個二硫鍵穩(wěn)定的抑制劑半胱氨酸結(jié)（ICK）模體，正電荷與負(fù)電荷氨基酸分別集中在分子的兩側(cè)，形成偶極矩。Calcin能夠高效穿透細(xì)胞膜，然后以高親和力快速結(jié)合RyR，通過誘導(dǎo)持久的亞電導(dǎo)狀態(tài)增加其活性，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高，增強(qiáng)細(xì)胞興奮性、神經(jīng)遞質(zhì)釋放以及細(xì)胞內(nèi)代謝和基因表達(dá)。Calcin還能夠攜帶大的膜不可滲透分子穿過膜，對細(xì)胞內(nèi)藥物遞送具有明顯影響。

五、小結(jié)與展望

不同種類的蝎毒素對離子通道作用的選擇性和親和力存在很大差異，高特異性和高親和力的蝎毒素可作為研究離子通道功能的重要分子工具，也具有開發(fā)成專門的離子通道調(diào)節(jié)藥物的潛力[8]。例如charybdotoxin是BKCa通道選擇性阻斷劑，自1990年起已被開發(fā)為商品化試劑，廣泛應(yīng)用于離子通道方面的研究；chlorotoxin是研究原發(fā)性神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中小電導(dǎo)Cl-通道的獨(dú)特配體，已被用作成像劑和靶向放射治療劑，為此類腫瘤的治療提供有力依據(jù)[6]。深入研究蝎毒素和離子通道的作用機(jī)制對于治療神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和腫瘤等具有重要意義[9]。總而言之，蝎毒素是數(shù)百萬年生物進(jìn)化的產(chǎn)物，是特異和有效的離子通道調(diào)節(jié)劑，該領(lǐng)域的研究注定要為小分子活性肽的發(fā)掘提供豐富的信息，擴(kuò)展離子通道功能的認(rèn)知并促進(jìn)重要的臨床轉(zhuǎn)化。