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蜘蛛毒素的生物學(xué)活性研究進(jìn)展

2014-01-25 16:05浦飛飛王曉英
中國(guó)藥理學(xué)通報(bào) 2014年12期
關(guān)鍵詞:離子通道亞型蜘蛛

浦飛飛,尹 松,王曉英

(1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所,北京 100193;2.湘潭市婦幼保健院,湖南湘潭 411104)

蜘蛛在全世界達(dá)4萬(wàn)余種,目前報(bào)道的蜘蛛成分主要來(lái)源于現(xiàn)存的編入目錄的43 244種蜘蛛中的174種[1],我國(guó)記載的約有3 000種,劇毒蜘蛛有10多種[2]。和其它毒性物種如芋螺毒素、蝎毒、蛇毒相比,蜘蛛毒素的研究相對(duì)較少,但近年來(lái),蜘蛛毒素成為生物毒素領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)之一。不同蜘蛛分泌的蜘蛛毒素不同,除毒性作用外,這些物質(zhì)還具有多種活性并能對(duì)機(jī)體產(chǎn)生多重影響。根據(jù)蜘蛛毒素的化學(xué)成分主要分為五類(lèi),分別是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)及小的有機(jī)化合物、線性多肽、富含二硫鍵的蜘蛛毒素多肽、酶類(lèi)、突觸前的神經(jīng)毒素;而根據(jù)其相對(duì)分子質(zhì)量大小主要分為多肽類(lèi)成分、蛋白質(zhì)成分、小分子物質(zhì)。蜘蛛成分中作用于靶細(xì)胞膜上的各種離子通道,如鉀、鈣、鈉、酸敏感通道等,主要是多肽毒素中含量較多的神經(jīng)毒素[3-4]。其小分子物質(zhì)主要分為無(wú)機(jī)鹽、三磷酸腺苷、氨基酸、核苷酸、單胺類(lèi)以及多胺類(lèi)[5-6]。由于蜘蛛毒素成分具有多樣性和多功能性,蜘蛛毒素已經(jīng)在分子藥理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和分子毒理學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,此外在新型農(nóng)藥殺蟲(chóng)劑等方面也有著廣泛的應(yīng)用前景[7]。

1 蜘蛛毒素對(duì)細(xì)胞分泌功能的影響

蜘蛛毒素能影響細(xì)胞的分泌功能,調(diào)節(jié)細(xì)胞的分泌活性,主要是蜘蛛毒素中的某些成分能與細(xì)胞膜表面的某些受體結(jié)合。因此蜘蛛毒素在神經(jīng)內(nèi)分泌、疼痛的研究等具有潛在價(jià)值。

1.1 α-latrotxin毒素對(duì)細(xì)胞分泌功能的作用 我們知道如果被黑寡婦蜘蛛咬傷,會(huì)使人產(chǎn)生極端的疼痛,使人產(chǎn)生麻痹甚至?xí)斐伤劳?。黑寡婦蜘蛛毒中對(duì)脊柱動(dòng)物有毒的唯一成分是α-latrotxin(LTX),它能與突觸前的受體(軸突蛋白或蜘蛛素受體latrophilin)結(jié)合,進(jìn)而影響細(xì)胞的分泌功能。它可以通過(guò)以下3種方式作用于細(xì)胞膜:一是在其作用的細(xì)胞膜上形成一種類(lèi)似Ca2+離子孔道,繼而激活相應(yīng)的受體,鈣離子通過(guò)LTX形成的孔道大量?jī)?nèi)流從而激活鈣離子依賴性的分泌功能;二是與蜘蛛素受體latrophilin 1(一種G蛋白偶聯(lián)受體)結(jié)合,激活磷脂酶C,從而激活細(xì)胞內(nèi)Ca2+離子依賴的細(xì)胞酶聯(lián)反應(yīng),最終導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)釋放增多;三是LTX形成的四聚體插入細(xì)胞膜磷脂雙分子層,在細(xì)胞膜上形成一種類(lèi)似離子和小的有機(jī)分子的孔道,在二價(jià)離子特別是鎂離子的幫助下激活鈣離子非依賴的細(xì)胞分泌功能[8]。還有研究表明,黑寡婦蜘蛛的神經(jīng)毒素通過(guò)插入細(xì)胞膜的磷脂雙分子層激活相應(yīng)的受體,導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)釋放增多,誘導(dǎo)肥大細(xì)胞發(fā)生胞吐現(xiàn)象[9],另外LTX毒素能與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合,對(duì)胰島β細(xì)胞分泌Ca2+離子進(jìn)行調(diào)節(jié),導(dǎo)致磷酸肌酸降解和降解產(chǎn)物積累。另外來(lái)源于黑寡婦蜘蛛Latrodectus(Theridiidae)毒中的 latroinsectotoxins(LIT)α、β、γ、δ和ε有選擇性的殺蟲(chóng)作用[10-11],其殺蟲(chóng)作用是通過(guò)影響突觸前神經(jīng)遞質(zhì)的釋放,其作用機(jī)制與LTX影響神經(jīng)遞質(zhì)釋放的機(jī)制類(lèi)似。

1.2 PhTx3-4毒素和DkTx雙結(jié)毒素對(duì)細(xì)胞分泌功能的作用 PhTx3-4毒素來(lái)源于羅納櫛蛛屬(Phoneutria nigriventer)蜘蛛毒液,能夠同時(shí)抑制非鈣通道依賴和鈣通道依賴性的突觸體攝取谷氨酸[12]。而雙結(jié)毒素(double kont toxin,DkTx)來(lái)源于虎紋捕鳥(niǎo)蛛粗毒,可以特異性地激活辣椒素受體TRPV1,引起細(xì)胞內(nèi)鈣的增加[13],進(jìn)而影響細(xì)胞的分泌功能。

2 蜘蛛毒素對(duì)酶活性的作用

2.1 對(duì)纖溶酶活性的影響以及抗凝作用 血栓形成是一類(lèi)多因素疾病,至今已提到的危險(xiǎn)因素約300余個(gè)。凡能使血小板黏附、聚集性增高、纖溶活性減弱、血粘度增高的因素,都成為血栓形成的因素。從敬釗纓毛蛛粗毒中分離到一種新型多肽jingzhaotin-Ⅰ,對(duì)血小板具有明顯的抑制作用,具有良好的抗凝作用[14],因此有望開(kāi)發(fā)成新型抗栓與溶栓藥物。利用纖維蛋白平板方法發(fā)現(xiàn)雷氏大疣蛛毒素可影響纖溶酶活性,具有良好的纖溶作用。雷氏大疣蛛是我國(guó)特有的蜘蛛,也是近幾年剛發(fā)現(xiàn)的新品種,這對(duì)新型溶栓藥物的開(kāi)發(fā)具有重要意義[15]。

2.2 抑制蛋白酶的活性 蜘蛛毒素還具有抑制蛋白酶活性的功能。從虎紋捕鳥(niǎo)蛛粗毒中純化得到的HWTX-XI屬于Kunitz型毒素,是迄今為止最大的Kunitz型蜘蛛科,它由121個(gè)高質(zhì)量表達(dá)序列標(biāo)簽組成的38個(gè)異構(gòu)體,其分子多樣性來(lái)源于 cDNA串聯(lián)重復(fù)序列。其中重組序列 HW11c4、HW11c24、HW11c27和 HW11c39都已成功表達(dá)并且純化,HW11c4和HW11c27能夠抑制胰蛋白酶、糜蛋白酶、激肽釋放酶等活性。這些發(fā)現(xiàn)從分子水平上說(shuō)明了HWTX-XI分子的多樣性及絲氨酸蛋白酶抑制活性[16]。

3 蜘蛛毒素對(duì)離子通道的作用

離子通道位于膜蛋白的雙脂層,在細(xì)胞膜上形成具有高度選擇性的孔道,是神經(jīng)元、肌細(xì)胞等可興奮膜上的特殊生物大分子。離子通道的現(xiàn)代研究中大都依賴生物毒素作為工具藥物。由于蜘蛛毒素具有極高的穩(wěn)定性、特異性和效價(jià),它們是新天然活性藥物的重要來(lái)源[17]。其中2011年FDA批準(zhǔn)的藥物有6個(gè)來(lái)源于毒素多肽類(lèi)或蛋白質(zhì),還有10個(gè)處在臨床試驗(yàn)階段,以及其它更多的處在臨床前開(kāi)發(fā)不同階段的毒素類(lèi)藥物[18]。

3.1 蜘蛛毒素對(duì)哺乳動(dòng)物Na+通道的作用 作用于離子通道的蜘蛛毒素中有三分之一是作用于鈉離子通道的[19]。不同鈉通道亞型生理結(jié)構(gòu)分布的不同決定了它們生物學(xué)活性的不同。例如:Nav1.5亞型主要分布在心臟部位,因此在心臟動(dòng)作電位的上升期起重要作用;而Nav1.4亞型主要分布在肌肉組織,而其作用主要與肌肉收縮有關(guān)[20-21];Nav1.7,Nav1.8和 Nav1.9在周邊感覺(jué)神經(jīng)元選擇性表達(dá),它們主要與脊髓疼痛的信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)[22]。因此作用于不同鈉通道亞型的毒素類(lèi)化合物具有不同的潛在醫(yī)用價(jià)值。由于鈉離子通道控制著興奮細(xì)胞動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳播,因此對(duì)調(diào)控神經(jīng)信號(hào)起著重要作用。從Paraphysa scrofa(Phrixotrichus auratus)tarantula蜘蛛中分離的兩種鈉通道阻斷劑電壓敏感性毒素 VSTx-3(VSTx-3,ktheraphotoxin-Gr4a)和GTx1-15(Toxin Gtx1-15)能夠阻斷鈉通道,對(duì)于由神經(jīng)超興奮引起的癲癇及局部麻醉過(guò)程中產(chǎn)生的疼痛都有潛在的醫(yī)用價(jià)值[23]。

3.2 蜘蛛毒素對(duì)昆蟲(chóng)Na+通道的作用 雖然電壓門(mén)控Na+通道廣泛分布在生物興奮組織細(xì)胞中,是許多動(dòng)植物神經(jīng)毒素及藥物特異作用的靶受體,但昆蟲(chóng)Na+通道的藥理學(xué)特性與哺乳動(dòng)物有明顯區(qū)別,因此蜘蛛毒素對(duì)昆蟲(chóng)有選擇性的殺傷作用。而且與擬除蟲(chóng)菊酯,DDT及DDT同源物等傳統(tǒng)農(nóng)藥不存在交叉耐藥性,因此在新型安全生物殺蟲(chóng)劑的研發(fā)中將發(fā)揮巨大作用[7]。

3.2.1 蜘蛛毒素對(duì)昆蟲(chóng)Na+通道作用的選擇性 截止到目前,9種哺乳動(dòng)物的鈉通道亞型(Nav1.1-1.9)中除了亞型Nav1.9外,都已成功克隆表達(dá)。因此我們獲取哺乳動(dòng)物鈉通道結(jié)構(gòu)、功能和藥理學(xué)活性的多樣性主要是通過(guò)對(duì)多個(gè)基因的表達(dá)。相反,昆蟲(chóng)類(lèi)鈉通道的不同功能主要是依賴于廣泛的選擇性剪接及1個(gè)對(duì)位鈉通道基因的RNA編輯,這種RNA編輯能使昆蟲(chóng)鈉通道有不同的變體。但是不同昆蟲(chóng)序列中鈉通道的范圍卻是高度保守的,它們的序列同源性高達(dá)0.87~0.98。因此,作用于鈉通道的蜘蛛毒素類(lèi)殺蟲(chóng)劑對(duì)不同序列的昆蟲(chóng)的毒性是廣泛的。而在哺乳動(dòng)物中鈉通道亞型 Nav1.1-1.9中,序列的同源性水平較低,只有 0.5~0.6??傊┲攵舅貧⑾x(chóng)劑對(duì)昆蟲(chóng)鈉通道的選擇性使昆蟲(chóng)鈉通道和哺乳動(dòng)物鈉通道藥理學(xué)特性有明顯區(qū)別[24]。

3.2.2 蜘蛛毒素的昆蟲(chóng)鈉通道作用位點(diǎn) 我們知道昆蟲(chóng)神經(jīng)元鈉通道上有7個(gè)毒素結(jié)合位點(diǎn),其中有3個(gè)是蜘蛛毒素結(jié)合位點(diǎn)。這3個(gè)毒素結(jié)合位點(diǎn),和傳統(tǒng)農(nóng)藥擬除蟲(chóng)菊酯,DDT及DDT同源物的結(jié)合位點(diǎn)是不相關(guān)的,因此蜘蛛毒素和上述傳統(tǒng)農(nóng)藥不存在交叉耐藥性。蜘蛛毒素作用于鈉通道的3個(gè)位點(diǎn)分別是:位點(diǎn)1,主要是阻斷通道口;位點(diǎn)3,延緩?fù)ǖ朗Щ钕啵晃稽c(diǎn)4,抑制通道激活。作用于位點(diǎn)1的蜘蛛毒μ-Theraphotoxin-Hhn2b(μ-TRTX-Hhn2b),其對(duì)果蠅鈉通道para/DmNa1的選擇性比對(duì)大鼠 Nav1.2的選擇性高1.5倍,而對(duì) Nav1.1和 Nav1.4-1.8無(wú)明顯影響;作用于位點(diǎn)3的蜘蛛毒素 δ-Ctenitoxin-Pn1a(δ-CNTX-Pn1a)來(lái)源于蜘蛛黑腹櫛足蛛(Phoneutria nigriventer);作用于位點(diǎn)4的4種殺蟲(chóng)肽,δ-amaurobitoxins(δ-AMATX-Pl1a-Pl1d)來(lái)源于陰暗擬隙蛛(Pireneitega luctuosa)[25]。

3.3 蜘蛛毒素對(duì)K+離子通道的作用 K+通道亞型Kv4.3在調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位的幅度與時(shí)程方面具有重要作用,是治療心律失常的有效作用靶點(diǎn),但目前國(guó)內(nèi)外尚缺乏該通道的特異性抑制劑。從敬釗纓毛蜘蛛粗毒中純化到的一種新型肽類(lèi)神經(jīng)毒素 -敬釗毒素-V(Jingzhaotoxin-V,JZTXV),對(duì)大鼠背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞上的瞬時(shí)外向K+電流能部分抑制,其中產(chǎn)生瞬時(shí)外向鉀電流的鉀通道亞型主要是Kv4家族成員。研究結(jié)果顯示,5μmol·L-1JZTX-V能抑制23%的Kv4.1電流,而 585 nmol·L-1L JZTX-V能抑制 50%的Kv4.2電流[26]。研究表明,JZTX-V是 Kv4.3通道的強(qiáng)阻斷劑,425.1 nmol·L-1JZTX-V能抑制 50%的 Kv4.3電流[27]。因此JZTX-V除了可以開(kāi)發(fā)成為研究鉀通道亞型Kv4.3的工具試劑,同時(shí)由于Kv4.3通道是治療心律不齊的靶標(biāo),所以JZTX-V也具有開(kāi)發(fā)成抗心律不齊藥物的潛在醫(yī)用價(jià)值。

3.4 蜘蛛毒素對(duì)Ca2+離子通道的作用 近年來(lái),隨著對(duì)Ca2+通道深入的研究,發(fā)現(xiàn)了很多與鈣通道結(jié)合的蜘蛛毒素,如 Phoneutria nigriventer的 Pha1β毒素及 Tx3-3[28-29]等。蜘蛛毒素的殺蟲(chóng)作用,除了作用于昆蟲(chóng)Na+通道外,有研究表明蜘蛛毒素中的多肽成分也可以作用于昆蟲(chóng)Ca2+通道,來(lái)源于澳大利亞的funnel-web蜘蛛毒中的ω-Hexatoxin-Hv1a(ω-HXTX-Hv1a)原來(lái)認(rèn)為對(duì)昆蟲(chóng)鈣通道的作用主要是選擇性的阻斷昆蟲(chóng)的Cav1亞型,但最近的研究表明ω-HXTXHv1a對(duì)蟑螂的Cav2亞型通道也有溫和的阻斷作用;來(lái)源于Plectreurys tristis蜘蛛毒中的 ω-Plectotoxin-Pt1a(ω-PLTXPt1a)能阻斷昆蟲(chóng)的Cav2亞型,而對(duì)鈉、鉀通道無(wú)作用;截止到目前,還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)作用于昆蟲(chóng)Cav3亞型的蜘蛛毒[25]。

4 蜘蛛毒素的其它相關(guān)生物學(xué)活性

4.1 蜘蛛毒素抑制腫瘤細(xì)胞的活性 研究表明,雷氏大疣蛛毒素、敬釗纓毛蛛毒素、海南捕鳥(niǎo)蛛毒素、虎紋捕鳥(niǎo)蛛毒素對(duì)肺腺癌細(xì)胞株A549的細(xì)胞增殖具有不同的抑制作用,以雷氏大疣蛛毒素和敬釗纓毛蛛毒素對(duì)A549細(xì)胞體外增殖的抑制作用較為明顯,且呈劑量、濃度、時(shí)間依賴性關(guān)系[30]。來(lái)源于虎紋捕鳥(niǎo)蛛、敬釗纓毛蛛、海南捕鳥(niǎo)蛛、新疆穴居狼蛛、雷氏大疣蛛分泌的毒液均具有抑制腫瘤活性,對(duì)人肝癌BEL-7402、SMMC-7721、人胃腺癌BGC-823細(xì)胞及HepG2細(xì)胞株肺癌A549細(xì)胞[31-32]、膠質(zhì)瘤細(xì)胞U251的抑制作用均有報(bào)道,但其抗腫瘤機(jī)制目前尚不十分明確,目前以誘導(dǎo)凋亡學(xué)說(shuō)為主[33]。

4.2 蜘蛛毒素的抑菌活性 研究表明,虎紋捕鳥(niǎo)蛛粗毒分離得到的2種多肽毒素,huwentoxin-Ⅰ和huwentoxin-Ⅱ,能抑制革蘭陰性細(xì)菌、革蘭陽(yáng)性細(xì)菌及啤酒酵母菌的生長(zhǎng),而且這2種多肽毒素間有一定的協(xié)同抗菌作用[34]。海南捕鳥(niǎo)蛛粗毒和體液通過(guò)杯碟法,發(fā)現(xiàn)其粗毒和體液對(duì)革蘭陰性細(xì)菌、革蘭陽(yáng)性細(xì)菌有抑制作用,但對(duì)酵母菌無(wú)抑制效果,而且兩者也存在一定的協(xié)同抗菌作用[35]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著分子生物學(xué)及膜片鉗等技術(shù)的飛速發(fā)展,蜘蛛毒素的生物學(xué)活性也不斷被發(fā)現(xiàn),并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的研究。蜘蛛毒素的神經(jīng)作用機(jī)制,尤其是與離子通道相關(guān)的作用機(jī)制是蜘蛛毒素的一個(gè)研究重點(diǎn),膜片鉗技術(shù)對(duì)離子通道門(mén)控動(dòng)力學(xué)、生理功能、藥理學(xué)特性及結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究,為一些疾病治療的新途徑提供了有效的研究方法[36]。目前發(fā)現(xiàn)蜘蛛毒素在新藥研究開(kāi)發(fā)、生物農(nóng)藥開(kāi)發(fā)等各個(gè)方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。相信通過(guò)對(duì)天然蜘蛛毒素各種成分的理化性質(zhì)及功能的研究,可以更好地開(kāi)發(fā)出蜘蛛毒素這一分子寶庫(kù)更大的經(jīng)濟(jì)以及應(yīng)用價(jià)值。

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