毒素肽作用機(jī)制及在藥物開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用

01 毒素肽，從何而來？

多肽類毒素通常在動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)，常見的有毒動(dòng)物包括芋螺屬、節(jié)肢動(dòng)物 (如蜘蛛、蝎子、蜈蚣) 、脊椎動(dòng)物 (如蛇、蜥蜴) 及腔腸動(dòng)物 (如水母，?？?/span>) 等[1]。

毒液通過這些動(dòng)物的毒牙、倒刺、毒刺等注射到生物體中進(jìn)行狩獵或防御，小劑量的毒液就可以使獵物感到痛苦甚至死亡。動(dòng)物毒液由蛋白、多肽及小分子等活性物質(zhì)組成，毒素肽是其中具攻擊性的分子之一[2]。

02 毒素肽，如何發(fā)揮作用？

毒素肽具有的種屬和結(jié)構(gòu)多樣性，可作用于多種離子通道、膜蛋白受體和酶。

在漫長(zhǎng)的自然演化中，毒素肽與其目標(biāo)細(xì)胞及分子靶點(diǎn)趨于協(xié)同進(jìn)化，從而優(yōu)化它們的作用，使其成為目標(biāo)受體的高選擇性配體[4]。這些受體主要參與疼痛相關(guān)的信號(hào)通路，如鈉離子通道、鈣離子通道、煙堿乙酰膽堿受體 (nAChRs)、去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (NET)、NMDA 受體和神經(jīng)緊張素受體等。

?  離子通道的掌控者

離子通道是一種多樣的膜蛋白，與神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)、肌肉收縮等生理功能密切相關(guān)。調(diào)節(jié)離子通道是毒液肽典型的作用方式之一。許多毒液肽具有多個(gè)半胱氨酸，可形成二硫鍵，使得這些多肽具有剛性結(jié)構(gòu)，對(duì)離子通道具有高親和力。 其中一個(gè)典型代表是 iCK (inhibitor cysteine knot) 結(jié)構(gòu)，I-IV、II-V、III-VI位的 Cys 殘基成二硫鍵是形成 iCK 結(jié)的必要條件，兩個(gè)二硫鍵及其主鏈形成嵌入環(huán)，主鏈段由第三個(gè)二硫鍵貫穿 (圖 3A)[5]。含有這種穩(wěn)定骨架的毒素肽，通常是有效的離子通道阻滯劑、溶血?jiǎng)┮约熬哂锌共《竞涂咕钚缘姆肿?。如狼蛛毒液?/span> ProTx II ，是一種高效的鈉離子通道 hNaV1.7 抑制劑，具有作為疼痛治療劑的潛力

 (A) ICK 模型結(jié)構(gòu); (B) ProTx-II 結(jié)構(gòu)示意圖, 黃色表示二硫鍵; (C) ProTx-II 與膜及鈉離子通道 Nav1.7 結(jié)合的示意圖，綠色表示與膜結(jié)合的氨基酸殘基；藍(lán)色表示與鈉離子通道結(jié)合的氨基酸殘基。  

?  毒素肽與酶結(jié)合

少部分毒素肽的靶點(diǎn)是酶，如磷脂酶 A2 (PLA2)、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶 (ACE)、凝血酶 (Thrombin) 等。?水蛭素 ?(Hirudin) 是水蛭中提取出的一種強(qiáng)效凝血酶抑制劑，具有抗凝血、抑制血小板聚集、改善血液流等功能，在水蛭吸血過程中起到了關(guān)鍵性的作用。源自巴西響尾蛇  (Bothrops jararaca) 毒液的緩激肽增強(qiáng)肽 b  (BPPb)，可通過抑制 ACE I 降低血壓、引發(fā)獵物休克[1]。

?  毒素肽作用于膜蛋白受體

除去離子通道及酶外，部分毒素肽會(huì)作用于其他膜蛋白受體，如 nAChRs、NMDA 受體、神經(jīng)緊張素受體、GLP-1 受體  (GLP-1R) 等發(fā)揮作用[3]。這些受體多與生物體神經(jīng)、心血管功能或疼痛相關(guān)。例如，α-芋螺毒素  (α-Conotoxins) 是分離自芋螺的一類毒素，可以競(jìng)爭(zhēng)性地抑制 nAChRs 使目標(biāo)的肌肉松弛。而同樣分離自芋螺的 Conantokins 則作用于 NMDA 受體，可使獵物的感覺系統(tǒng)鈍化，處于安眠狀態(tài)。  

03 毒素肽與藥物開發(fā)

有毒動(dòng)物在人類社會(huì)中的應(yīng)用源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，如蝎曾被用于治療痙攣與內(nèi)風(fēng)。進(jìn)入到現(xiàn)代社會(huì)以來，許多動(dòng)物毒素的作用機(jī)理在分子水平上被研究和揭示，成為藥物開發(fā)的寶貴資源，被廣泛用于癌癥、心血管疾病、糖尿病、阿爾茲海默癥等疾病的藥物開發(fā)中。

艾塞那肽 (Exenatide,HY-13443) 是火熱的 GLP-1 藥物家族中被 FDA 批準(zhǔn)的 GLP-1 類似物，也是從動(dòng)物毒液中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)經(jīng)典藥物，用于治療 2 型糖尿病 (T2D)。

GLP-1 是一組可以在進(jìn)食后促進(jìn)胰島素分泌，從而調(diào)節(jié)血糖的“腸促胰島素”，隨后科學(xué)家基于 GLP-1 的活性形式 GLP-1 (7-37)  進(jìn)行了藥物開發(fā)，卻長(zhǎng)期困于其在人體內(nèi)酶解速率快及腎臟清除率高兩個(gè)問題[9]。90 年代早期，于 Gila monster 毒液中發(fā)現(xiàn)的 Exenatide 與 GLP-1 (7-37) 的同源性為 53%，同樣作為 GLP-1R 的激動(dòng)劑，具有抗 DPP4 酶解及較低的人體腎臟清除率，被開發(fā)作為 T2D 的治療藥物[9]。

部分毒液肽由于穩(wěn)定性、生物利用度等問題不能直接作為藥物，而是作為藥物前體或先導(dǎo)化合物，經(jīng)過一定的藥物化學(xué)修飾及設(shè)計(jì)進(jìn)行開發(fā)。如來匹盧定  (Lepirudin)  是基于 Hirudin 開發(fā)的重組水蛭素，在 N 端第一位氨基酸進(jìn)行了 Ile 取代，并去掉了 63 位 Tyr 上的磺酸修飾，減少了 Hirudin 的出血風(fēng)險(xiǎn)[10]。比伐盧定 (Bivalirudin) 則是基于 Hirudin 的片段開發(fā)的短肽類藥物，其分子量較小，通過與凝血酶催化位點(diǎn)和陰離子外結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合而抑制期其活性，相比 Lepirudin，其抑制作用是可逆的，且免疫原性更低，于 2000 年被批準(zhǔn)上市[11]。

04 小結(jié)

本期小 M 為大家介紹了神奇的毒素肽、它們的作用機(jī)制及在藥物開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。而迄今為止，只有很少一部分毒素肽被研究解析出來，被應(yīng)用到臨床的毒素肽更是寥寥數(shù)幾，數(shù)量巨大的毒素肽仍然等待小伙伴們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和研究~