作用于离子通道的蝎毒素研究进展

范红波 黄欣媛

(1.湖北职业技术学院医学基础部 湖北孝感 432000；2.湖北工程学院生命科学技术学院 湖北孝感 432000)

蝎毒（Scropion Venom）是活蟹尾部毒囊中分泌的毒液，具有多种生理学活性，临床主要应用于镇痛、抗肿瘤、抗血栓、抗虫等。蝎毒素是蝎毒的主要活性成分，已报道的多达700余种。蝎毒素也称蝎毒多肽，指蝎毒中的一类20～80个氨基酸残基的小分子肽，通常含一个α螺旋，通过2～3个二硫键与反向平行β折叠连接。每种蝎毒中约含有70余种蝎毒素，具有很强的多态性。

蝎毒作用于昆虫、哺乳动物、无脊柱动物等会引起中毒，出现中枢和外周神经系统兴奋性失调、细胞膜不稳定等生理效应，主要是通过蝎毒素调节可兴奋膜中的各种离子通道来介导的。按照特异性作用的离子通道类型进行分类，蝎毒素可分为Na+通道、K+通道、Cl-通道和Ca2+通道蝎毒素四大类。其中60～80个氨基酸残基的长链蝎毒素多作用于Na+和Ca2+通道，而20～40个氨基酸残基的短链蝎毒素多作用于K+和Cl-通道。当前，蝎毒素的研究热点主要是其结构解析及其与离子通道高亲和性作用的分子机制，这些研究在神经信号传递、感觉-运动系统和兴奋-收缩耦合等病理生理学领域具有重要意义。

一、Na+通道蝎毒素

电压门控Na+通道（Nav）在可兴奋细胞的质膜上负责动作电位的启动和传播，是神经系统正常运作的基础，因而靶向Nav的蝎毒素是蝎毒导致动物麻痹和死亡的主要成分。Nav蝎毒素通常为58～76个氨基酸残基，含有由4个二硫键固定起来的结构核心。根据功能不同分为α-或β-蝎毒素。α-蝎毒素靶向Nav神经毒素结合位点3（结构域IV的S3～S4环），减缓或抑制通道失活，诱导通道长时间开放、持续激活。β-蝎毒素与Nav神经毒素结合位点4（结构域Ⅱ的S1～S2和S3～S4的胞外环以及结构域Ⅲ的孔道区）结合，使Nav超极化，降低Na+电流峰值[1]。

迄今为止，有详细功能研究的Nav蝎毒素有60多种[2]，不同蝎毒素对Nav的亲和力有显著差异，作用浓度从100pM到30mM不等。约20种蝎毒素对通道具有高度选择性，仅作用于某一特定的Nav亚型，如AaH I（Androctonus australis Hector）和BmK αIV（Buthus martensii Karsch）专一性作用于Nav1.2，Tf2（Tityus fasciolatus）是唯一鉴定的Nav1.3选择性激活剂，在1mM浓度下对非洲爪蟾卵母细胞中的Nav1.1～1.2以及Nav1.4～1.8通道都没有作用[3]。而另一些蝎毒肽作用于多种通道亚型，如MeuNaTxα-5（Mesobuthus eupeus）和OD1（Odonthobuthus doriae）都能作用于Nav1.3～1.7五种通道。

在作用于同一离子通道亚型的蝎毒素中，蝎毒素种类不同，亲和力也不同。如对Nav1.1具有最大的亲和力的是Cn8（解离常数Kd=140nM），Nav1.2最有效的抑制剂是Amm VIII（Androctonus mauretanicus）和AaH2，半最大有效剂量EC50分别为29nM和2.6nM。

二、K+通道蝎毒素

K+通道有电压门控钾通道（Kv）、Ca2+激活的钾通道（KCa）、内向整流钾通道（Kir）、ERG钾通道等多种类型，能降低细胞兴奋性，促进细胞动作电位复极化。K+通道蝎毒素（KTx）能调节多种生理活动，如神经元活动、神经递质释放和激素分泌、淋巴细胞活化、肌肉收缩和心脏周期等[4]。大多数KTx三维结构具有相似性，含有一个起稳定作用的Csαβ模体。根据氨基酸序列和半胱氨酸位置的保守性，分成α-、β-、γ-和κ-KTx四个族。其中，α-KTx成员最多，有30个亚族，多为短链肽，能侵入通道的K+选择孔，阻断Kv1、KCa2和KCa3中的离子传导，或者结合于KCa2带负电的胞外环从而阻断K+通道。β-KTx族为长链肽（60～65个氨基酸残基），分子内含有3个二硫键，具有显著的抗菌作用。γ-Ktx族的Ergtoxin能阻断ERG钾通道，它由42个氨基酸组成，氨基酸序列和α-KTx和β-KTx很不一样。而κ-KTx被称为Hefutoxin，缺乏其他族KTx分子中保守的Csαβ模体。

（一）作用于电压门控钾通道（Kv）的蝎毒素

从通道具体亚型来看，KAaH1对Kv1.1具有特异性，IC50为5nM。Kv1.3的最特异性抑制剂是Vm24（Vaejovis mexicanus smithi），Kd为2.9pM。Kv1.4最特异的抑制剂是κ-KTx 2.5（Opisthacanthus cayaporum），尽管需要相对较高的浓度才能发挥作用（IC50=71μM），但它对其他10种Kv和5种Nav无作用[5]。与此相对，迄今为止尚未鉴定出特别特异的Kv1.5或Kv1.6阻断剂。

（二）作用于钙激活钾通道（KCa）的蝎毒素

靶向于KCa的有20余种蝎毒多肽，其中，作用于大电导钙激活钾通道（BKCa）的蝎毒素大部分起抑制作用，最有效的抑制剂是Iberiotoxin（Buthus tamulus），其次是Slotoxin（Centruroides noxius Hoffmann），作用浓度均为nM级。

作用于中电导钙激活钾通道（IKCa）和小电导钙激活钾通道（SKCa）的所有蝎毒素都是抑制性的，IKCa最有效和最特异性的抑制剂是Maurotoxin（Maurus palmatus），IC50为1.1nM；而选择性作用于SKCa的最有效的抑制肽是Tamapin（Mesobuthus tamulus），对SK2的IC50为24pM，不影响IKCa。

三、Cl-通道蝎毒素

Cl-通道成员众多，包括钙激活Cl-通道、大电导Cl-通道、囊性纤维化跨膜电导调节剂（CFTR）等，调控多种生理功能。在靶向Cl-通道的蝎毒素中，最引人注目的是从Leiurus quinquestriatus蝎毒液中纯化的Chlorotoxin，由36个氨基酸组成，含4个二硫键，能特异性作用于神经胶质瘤细胞独有的Cl-通道，抑制原发性胶质瘤的侵袭和转移，在药物研发中具有重要作用。对包括胶质瘤、黑色素瘤、小细胞肺癌、神经母细胞瘤和髓母细胞瘤在内的癌细胞都具有靶向性[6]，可用于肿瘤诊断、成像和治疗。

GaTx1（Leiurus quinquestriatus hebraeus）是目前鉴定出的能调节CFTR通道的唯一的蝎毒素，能从胞浆侧阻断通道，IC50为48nM。该肽对CFTR通道显示出高度特异性，能用于定量研究CFTR开—关构象改变和功能[7]。

四、Ca2+通道蝎毒素

Ca2+通道主要有电压门控（Cav）、配体门控和电压非依赖性通道三种类型。Cav在可兴奋细胞的质膜内形成异源寡聚物，是癫痫、慢性疼痛、心力衰竭和高血压的病理基础。影响Ca2+通道的蝎毒素有十余种，主要结合在跨膜孔α亚基上。Kurtoxin（Parabuthus transvaalicus）是为数不多的抑制Cav的蝎毒素之一，由63个氨基酸组成，含有4个二硫键，分子表面疏水性和正电荷区域较大，对低压激活钙通道Cav3.1和Cav3.2有高亲和力，后发现其也能抑制高压激活钙通道Cav1和Cav2，也能作用于Nav1.2、Nav1.5和Nav1.6等Na+通道。

兰尼碱受体（Ryanodine receptor，RyR1-3）是一类广泛分布于骨骼肌、心肌和动脉平滑肌细胞中的配体门控Ca2+通道，靶向这些通道的蝎毒素称为Calcin。Calcin由33～35个氨基酸组成，内含3个二硫键稳定的抑制剂半胱氨酸结（ICK）模体，正电荷与负电荷氨基酸分别集中在分子的两侧，形成偶极矩。Calcin能够高效穿透细胞膜，然后以高亲和力快速结合RyR，通过诱导持久的亚电导状态增加其活性，从而导致细胞内Ca2+浓度升高，增强细胞兴奋性、神经递质释放以及细胞内代谢和基因表达。Calcin还能够携带大的膜不可渗透分子穿过膜，对细胞内药物递送具有明显影响。

五、小结与展望

不同种类的蝎毒素对离子通道作用的选择性和亲和力存在很大差异，高特异性和高亲和力的蝎毒素可作为研究离子通道功能的重要分子工具，也具有开发成专门的离子通道调节药物的潜力[8]。例如charybdotoxin是BKCa通道选择性阻断剂，自1990年起已被开发为商品化试剂，广泛应用于离子通道方面的研究；chlorotoxin是研究原发性神经胶质瘤细胞中小电导Cl-通道的独特配体，已被用作成像剂和靶向放射治疗剂，为此类肿瘤的治疗提供有力依据[6]。深入研究蝎毒素和离子通道的作用机制对于治疗神经退行性疾病、心血管疾病和肿瘤等具有重要意义[9]。总而言之，蝎毒素是数百万年生物进化的产物，是特异和有效的离子通道调节剂，该领域的研究注定要为小分子活性肽的发掘提供丰富的信息，扩展离子通道功能的认知并促进重要的临床转化。