12月18日,中国科学院动物研究所朱顺义团队在Mol Biol and Evol
杂志在线发表了题为Scorpion toxins: positive selection at a distal site
modulates functional evolution at a bioactive site

的研究论文,首次揭示了变构通讯介导的超距效应(action at a
distance)在蝎毒素结构和功能进化中的关键作用。

虽然早在1895年,达尔文在《物种起源》一书中就已经提出了“自然选择是生物进化的动力”的观点,但是现代进化生物学研究表明自然选择的作用在于推动物种适应性进化的过程和方向,而不是原因。有毒动物(如蝎,海葵,芋螺,蜘蛛和蛇等)是一类独特的动物类群,它们毒液中含有许多靶向离子通道的神经毒素,参与捕食和防御。这些毒素在分子水平上的自然选择已被广泛报道,但是它们进化的驱动力仍不清楚。

4月4日,中国科学院动物研究所朱顺义研究组在国际进化生物学杂志《分子生物学与进化》在线发表了题为Target-Driven
Positive Selection at Hot Spots of Scorpion Toxins Uncovers Their
Potential in Design of Insecticides

的论文。这项研究成果报道了该团队在蝎毒素物种选择性进化机制研究方面的最新发现。

先前的许多研究已经表明,蛋白质生物活性位点的正选择驱动了基因功能的多样性进化。但是,远离生物活性区域的正选择位点的进化和功能意义尚不清楚。2016年,他们的一项研究发现,特异性靶向昆虫和哺乳动物钠通道的蝎α-型神经毒素在承受正选择的生物活性位点区域远端存在一个快速进化的非生物活性位点(不参与钠通道的结合)。

中国科学院动物研究所研究员朱顺义领导的多肽生物学及进化研究组集中研究了来自我国的东亚钳蝎毒液中的一类对哺乳动物和昆虫均有毒性的α-钠通道毒素的适应性进化以及与其靶标通道之间的相互作用。他们首先鉴定了该蝎种α-毒素多基因家族承受正选择的氨基酸位点并发现这些位点定位于毒素-通道复合物的作用表面。通过系统地分析蝎的猎物和捕食者(鸟、蜥蜴和哺乳动物)钠通道的毒素结合区的进化方式和序列保守性,并综合先前广泛的突变数据,研究人员首次发现钠通道的毒素结合区氨基酸侧链的可变性是驱动蝎毒素适应性进化的主要动力。

蝎作为一类有毒动物,处于食物链的中间位置。在猎物及捕食者的双重选择压力下,该物种已成功进化了同时靶向昆虫和老鼠钠通道的α-型神经毒素参与捕食和防御。虽然α-型神经毒素超强的抗虫活性显示其有作为杀虫剂的巨大潜能,但是它们伴随的哺乳动物毒性成为主要的制约因素,为该领域的一大挑战。

在该项研究工作中,该团队利用定点突变技术,结合结构分析、电生理学实验和活体毒性测定技术,首次发现在不同的蝎α-型神经毒素位点52引入不同类型的氨基酸能够选择性地改变这些毒素的结构和功能。分子动力学模拟发现此远端位点突变可以诱发变构效应导致毒素生物活性位点区域的构象动力学发生改变,进而引发功能分化。这一结果提示远端位点的进化与生物活性位点的正选择密切相关。统计偶联分析进一步揭示了它们之间的共进化关系。该研究表明了毒素内部位点间的超距效应以及补偿突变介导的共进化为有毒动物应对猎物/捕食者选择压力的一种适应性策略。这些发现为理解蝎毒素内在生命(inner
life)的活动基础以及分子进化的生化机制提供了全新的思维,有助于推动聚焦远端正选择位点突变的蛋白质功能进化研究方向的发展。

基于不同谱系钠通道毒素结合区的差异保守性,他们提出了相对于小型的猎物,体型更大的捕食者对蝎和它们的毒素的进化施加了更大的选择压力。该工作首次发现钠通道毒素结合区的松弛的净化选择是蝎毒素适应性进化的主要驱动力,表明了分子间的一种非典型的共进化关系。这一结论对于研究其它有毒动物毒素的进化具有重要的借鉴意义。

为了应对上述挑战,研究人员首先从这类毒素物种选择性的进化机制研究入手。通过选用我国宁夏产条斑钳蝎的钠通道毒素MT-5为模型,他们对先前发现的毒素阳性达尔文位点完成了系统性的定点突变分析。合并电生理测定技术首次鉴定了MT-5和哺乳动物钠通道rNav1.1亚型相互作用的关键热点残基。以此为基础,研究人员构建了高质量的毒素-通道复合物的计算机模型,并建立了毒素和通道相互作用的配对残基。活体毒性测定表明,突变或删除这些热点氨基酸残基能够显著消除MT-5对小鼠的毒性,但却实质性地保留或增强了它的抗虫活性。这些数据表明了阳性达尔文选择的热点残基具有调节昆虫/哺乳动物物种选择性的开关作用。进一步改变热点残基的侧链性质有望实现针对特定害虫的杀虫剂的研发。