項目名稱：    蝎和芋螺中活性多肽毒素結構與功能的研究

推薦單位：    中國科學院

項目簡介：    本項目屬于生物學中的蛋白質研究.

多肽毒素是一類特殊的生命物質，對它們的研究與了解是一個重要的基礎生物學問題。蝎和芋螺產生的多肽毒素能作用于神經系統中多種離子通道和神經遞質的受體，可作為新藥的先導化合物或直接開發成治療不同神經系統疾病的新藥。我國擁有豐富的生物毒素資源。研究其中的新型毒素，具有重要的開發應用前景和自主知識產權。

本項目對東亞馬氏鉗蝎中的多個鈉通道毒素的結構與功能進行了系統深入的研究，解析了五個代表性毒素的高分辨率晶體結構，通過定點突變，詳細闡明了這類毒素的活性位點和種屬選擇性的結構基礎。還發現了其它具有不同新功能的鈉通道毒素，其中包括具有鎮痛活性的BmK IT-AP和抗癲癇活性的BmK AEP等。

本項目還研究了蝎毒中多個作用于鉀通道和氯通道的新型短鏈毒素，發現了能選擇性作用于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，測定了它們的結構和功能；還通過定點突變研究找到了SK通道毒素BmP05的活性和選擇性相關位點。

此外還從中國南海芋螺中純化及克隆到100多個新的芋螺毒素，涵蓋了A-、O-、M-和T-等多個超家族，不僅包括唯一被發現能增強鉀電流的生物毒素kappa-BtX和作用于TTX-不敏感鈉通道的mu-SIIIA，還包括多個具有全新序列和結構的新型毒素。

發表論文40篇，37篇被SCI收錄，被SCI他引445次。一些主要研究結果被本領域的Review文章詳細引述.主要完成人戚正武與歐洲毒素協會主席共同撰寫有關東亞馬氏鉗蝎毒素研究的綜述，在13屆國際毒素會議上作大會報告，被邀評審美國自然科學基金有關芋螺毒素的項目申請，多次評審國際期刊中有關毒素的研究論文；王大成曾受邀在第七屆亞太生化與分子生物學會議,第一屆國際天然毒素會議和全國性會議做邀請報告。這表明本研究已處于該領域國際前沿，在國內外已產生相當影響。戚正武與王大成為本項目的共同申報人。

主要發現點：  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物毒素，并解析了它們的高分辨率晶體結構，發現了alpha-like類毒素特征性的反常順式肽鍵，并發現對不同毒素分子生物毒性強弱的"電荷調節途徑"。相關論文1, 7 14, 16, 19, 20, 31, 38。

2. 在成功建立高效的酵母表達體系的基礎上，根據其晶體結構，對蝎鈉通道毒素BmK M1進行了詳細深入的定點突變研究，闡明其重要的生物活性關鍵部位和種屬選擇性的結構基礎，揭示了其生物活性的主要分子基礎，在分子水平上對該類蝎毒素的結構－功能關系研究提供了深層次的新認識。相關論文2, 15, 26, 28, 36。

3. 從東亞馬氏鉗蝎中發現了多個新型鉀通道毒素，包括一個專一性作用于昆蟲來源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，對果蠅這種重要的模式生物的研究很有意義；一個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，可能是分子進化中的一種過渡態；一個專一性作用于SK通道的毒素BmSKTx1等。另外通過定點突變，對SK通道毒素BmP05進行了結構與功能關系的研究，奠定了對這類毒素活性位點的認識。在以上工作的基礎上，提出了這類毒素作用于鉀通道的兩種不同作用機理。論文3, 4, 6, 30, 32, 35。

4. 從中國南海桶形芋螺中發現了一個能特異性增強BK電流的新型芋螺毒素kappa-BtX，這個毒素的結構和功能都很獨特，是迄今為止發現的唯一一個能增加鉀電流的生物毒素；還從線紋芋螺中發現了一個能特異性作用于河豚毒素不敏感鈉通道的芋螺毒素mu-SIIIA。因為這種鈉通道與痛覺傳遞有關，這個毒素具有開發為鎮痛藥的潛能。論文5, 39。

5. 從東亞馬氏鉗蝎中發現了具有鎮痛活性的組分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系統疾病有關。相關論文9, 24。

以上工作均屬生物化學領域的蛋白質研究。

主要完成人：  1.   戚正武

本項目的總負責人和實施者，于1995年提出了進行毒素研究的整體思路和課題的具體方案，并在具體操作過程中指導項目的實施。在研究蝎毒素的基礎上，能緊跟學科的發展進一步開展芋螺毒素的研究，擴大了研究范圍。對主要發現點的2，3，4，5有創造性貢獻，在本項目中的工作量占總工作量的80％。

2.   王大成

中國東亞馬氏鉗蝎鈉通道毒素三維結構及其與功能關系研究的提出人，研究全程負責人，主持研究方案制訂、計劃實施、結果解析和論文撰寫，是這方面全部論文的通訊作者。對該成果的總體貢獻與戚正武先生等同，是具有同等地位的成果獎共同申報人。對1，2，5項主要發現點有創造性貢獻，在該項研究中的工作量占總工作量的80％。

3.   王春光

對蝎鈉通道毒素BmK M1的結構與功能關系進行了深入的研究，發現了多個新的蝎神經毒素，包括抗癲癇肽，抑制型昆蟲毒素，BmKX等，并闡明了它們的蛋白和基因結構。對本項目中的主要發現點2和5的工作有創造性貢獻，在本項目中的工作量占本人總工作量的100％。

4.   許琛琦

在蝎短鏈神經毒素研究中，發現了多種新型鉀離子通道毒素，研究了它們的結構和功能，提出了鉀通道毒素的兩種作用機理。對主要發現點3有創造性貢獻，在本項目中的工作量占本人總工作量的100％。

5.   范崇旭

率先對芋螺毒素的成分進行研究，分離純化到多種活性多肽，闡明了它們的蛋白與基因結構。其中桶形芋螺毒素k-BtX是目前所知的唯一一個鉀離子通道開放劑，屬于一個新的超家族。此工作在國際同行中有較大影響。對主要發現點4有創造性貢獻，在本項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