项目名称：    蝎和芋螺中活性多肽毒素结构与功能的研究

推荐单位：    中国科学院

项目简介：    本项目属于生物学中的蛋白质研究.

多肽毒素是一类特殊的生命物质，对它们的研究与了解是一个重要的基础生物学问题。蝎和芋螺产生的多肽毒素能作用于神经系统中多种离子通道和神经递质的受体，可作为新药的先导化合物或直接开发成治疗不同神经系统疾病的新药。我国拥有丰富的生物毒素资源。研究其中的新型毒素，具有重要的开发应用前景和自主知识产权。

本项目对东亚马氏钳蝎中的多个钠通道毒素的结构与功能进行了系统深入的研究，解析了五个代表性毒素的高分辨率晶体结构，通过定点突变，详细阐明了这类毒素的活性位点和种属选择性的结构基础。还发现了其它具有不同新功能的钠通道毒素，其中包括具有镇痛活性的BmK IT-AP和抗癫痫活性的BmK AEP等。

本项目还研究了蝎毒中多个作用于钾通道和氯通道的新型短链毒素，发现了能选择性作用于BK通道的毒素BmBKTx1、SK通道毒素BmSKTx1和具有双功能面的毒素BmTx3等，测定了它们的结构和功能；还通过定点突变研究找到了SK通道毒素BmP05的活性和选择性相关位点。

此外还从中国南海芋螺中纯化及克隆到100多个新的芋螺毒素，涵盖了A-、O-、M-和T-等多个超家族，不仅包括唯一被发现能增强钾电流的生物毒素kappa-BtX和作用于TTX-不敏感钠通道的mu-SIIIA，还包括多个具有全新序列和结构的新型毒素。

发表论文40篇，37篇被SCI收录，被SCI他引445次。一些主要研究结果被本领域的Review文章详细引述.主要完成人戚正武与欧洲毒素协会主席共同撰写有关东亚马氏钳蝎毒素研究的综述，在13届国际毒素会议上作大会报告，被邀评审美国自然科学基金有关芋螺毒素的项目申请，多次评审国际期刊中有关毒素的研究论文；王大成曾受邀在第七届亚太生化与分子生物学会议,第一届国际天然毒素会议和全国性会议做邀请报告。这表明本研究已处于该领域国际前沿，在国内外已产生相当影响。戚正武与王大成为本项目的共同申报人。

主要发现点：  1. 从东亚马氏钳蝎中纯化并研究了一系列代表性蝎哺乳动物毒素，并解析了它们的高分辨率晶体结构，发现了alpha-like类毒素特征性的反常顺式肽键，并发现对不同毒素分子生物毒性强弱的"电荷调节途径"。相关论文1, 7 14, 16, 19, 20, 31, 38。

2. 在成功建立高效的酵母表达体系的基础上，根据其晶体结构，对蝎钠通道毒素BmK M1进行了详细深入的定点突变研究，阐明其重要的生物活性关键部位和种属选择性的结构基础，揭示了其生物活性的主要分子基础，在分子水平上对该类蝎毒素的结构－功能关系研究提供了深层次的新认识。相关论文2, 15, 26, 28, 36。

3. 从东亚马氏钳蝎中发现了多个新型钾通道毒素，包括一个专一性作用于昆虫来源BK通道的毒素BmBKTx1，是至今已知唯一能作用于果蝇BK通道的毒素，对果蝇这种重要的模式生物的研究很有意义；一个有双功能面的钾通道毒素BmTx3，它既能作用于A型钾通道，还能作用于HERG通道，可能是分子进化中的一种过渡态；一个专一性作用于SK通道的毒素BmSKTx1等。另外通过定点突变，对SK通道毒素BmP05进行了结构与功能关系的研究，奠定了对这类毒素活性位点的认识。在以上工作的基础上，提出了这类毒素作用于钾通道的两种不同作用机理。论文3, 4, 6, 30, 32, 35。

4. 从中国南海桶形芋螺中发现了一个能特异性增强BK电流的新型芋螺毒素kappa-BtX，这个毒素的结构和功能都很独特，是迄今为止发现的唯一一个能增加钾电流的生物毒素；还从线纹芋螺中发现了一个能特异性作用于河豚毒素不敏感钠通道的芋螺毒素mu-SIIIA。因为这种钠通道与痛觉传递有关，这个毒素具有开发为镇痛药的潜能。论文5, 39。

5. 从东亚马氏钳蝎中发现了具有镇痛活性的组分BmK IT-AP和具有抗癫痫活性的组分BmK AEP，它们的特殊活性可能与全蝎一直在中药中用于治疗一些神经系统疾病有关。相关论文9, 24。

以上工作均属生物化学领域的蛋白质研究。

主要完成人：  1.   戚正武

本项目的总负责人和实施者，于1995年提出了进行毒素研究的整体思路和课题的具体方案，并在具体操作过程中指导项目的实施。在研究蝎毒素的基础上，能紧跟学科的发展进一步开展芋螺毒素的研究，扩大了研究范围。对主要发现点的2，3，4，5有创造性贡献，在本项目中的工作量占总工作量的80％。

2.   王大成

中国东亚马氏钳蝎钠通道毒素三维结构及其与功能关系研究的提出人，研究全程负责人，主持研究方案制订、计划实施、结果解析和论文撰写，是这方面全部论文的通讯作者。对该成果的总体贡献与戚正武先生等同，是具有同等地位的成果奖共同申报人。对1，2，5项主要发现点有创造性贡献，在该项研究中的工作量占总工作量的80％。

3.   王春光

对蝎钠通道毒素BmK M1的结构与功能关系进行了深入的研究，发现了多个新的蝎神经毒素，包括抗癫痫肽，抑制型昆虫毒素，BmKX等，并阐明了它们的蛋白和基因结构。对本项目中的主要发现点2和5的工作有创造性贡献，在本项目中的工作量占本人总工作量的100％。

4.   许琛琦

在蝎短链神经毒素研究中，发现了多种新型钾离子通道毒素，研究了它们的结构和功能，提出了钾通道毒素的两种作用机理。对主要发现点3有创造性贡献，在本项目中的工作量占本人总工作量的100％。

5.   范崇旭

率先对芋螺毒素的成分进行研究，分离纯化到多种活性多肽，阐明了它们的蛋白与基因结构。其中桶形芋螺毒素k-BtX是目前所知的唯一一个钾离子通道开放剂，属于一个新的超家族。此工作在国际同行中有较大影响。对主要发现点4有创造性贡献，在本项目中的工作量占本人总工作量的50％。

10篇代表性论文：  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