青蛙蛋白质可以减轻有毒海洋微生物带来的危险

来自加州大学旧金山分校的一项新研究表明，普通牛蛙中发现的蛋白质有一天可用于检测和中和由赤潮和其他有害藻类繁殖产生的有毒化合物。这一发现之际，这些水性有毒事件变得越来越普遍，这是气候变化的结果，使世界的海洋更加适合负责这些以前罕见的突发事件的微生物。

水生微生物生产一系列有毒化合物，但很少有像神经毒素蛤蚌毒素那样强大，常见于藻类大量繁殖。虽然不像氰化物这样的家喻户晓，但蛤蚌毒素的效力要强得多 - 它的剂量比致死剂量的氰化物小一千倍。而且因为它在过滤食用贝类中积累，蛤蚌毒素可以在食物链中上升并落在我们的餐桌上。

“石蒜毒素是最致命的天然毒物之一，也是唯一被宣布为化学武器的海洋毒素，”该研究的高级作者，加州大学旧金山分校心血管研究所教授Daniel L. Minor Jr.博士说。 。

这项研究是Minor实验室与斯坦福大学化学实验室教授Justin Du Bois博士的合作，于6月19日在Science Advances上发表，并提供了第一个高分辨率的saxiphilin分子结构，这是一种非凡的蛋白质，被认为是使牛蛙抵抗蛤蚌毒素的神经毒性作用。

这些结构 - 详细的效果图描绘了saxiphilin本身并与蛤蚌毒素结合 - 有助于解释蛋白质如何赋予这种保护作用，并提供关于毒素抗性进化起源的关键见解。这些发现提供了对saxiphilin的更透彻的了解，这将使科学家们开始探索重新利用蛋白质的方法，以用作检测环境和体内毒素的工具，并作为抗毒素治疗。

当被人类摄入时，蛤蚌毒素会破坏神经信号，并可导致潜在的致命疾病，称为麻痹性贝类中毒。如果没有立即就医，控制呼吸的肌肉会迅速丧失能力，导致窒息导致死亡。

在野外，效果可能更加极端。在赤潮和其他蛤蚌毒素爆发期间，水生动物的无生命尸体 - 从鱼类和乌龟到鲸鱼和海豚 - 经常被数百人冲上岸。但你不会在死者和死亡中找到青蛙。

青蛙具有异常的抗蛤蚌毒素，这一现象首先由加州大学旧金山分校的乔治·威廉姆斯胡珀基金会研究员赫尔曼·索默博士于1924年至1950年去世时观察到。从1928年到1932年，索默收集了旧金山海岸的双壳类动物什么被称为“贻贝毒药”。他测试了它对实验室动物的影响，发现青蛙没有表现出严重的症状，直到他们给予小鼠致死剂量至少15倍。然而，当时Sommer无法解释这一结果。

其他研究人员后来的努力表明，蛤蚌毒素的主要目标是一类称为电压门控钠通道的蛋白质。这些蛋白质嵌入神经和肌肉细胞的表面，控制带电粒子进出细胞的流动。

“毒素与电压门控钠通道的相互作用是蛤蚌毒素如此有毒的原因，因为这种相互作用会阻断神经中的电信号，”Minor解释说。

虽然科学家们了解这种神经毒性机制 - 并且也知道saxiphilin可以某种方式抵消这些影响 - Minor和同事们必须推断出saxiphilin的分子结构才能准确解释蛋白质如何保护青蛙免于蛤蚌毒素中毒。

分子结构解释了蛋白质的抗毒性

为此，研究人员转向了一种称为X射线晶体学的技术，这是用于解决复杂生物分子结构的最常用方法之一。它在20世纪50年代用于确定DNA的结构，至今仍是结构生物学的黄金标准。正是X射线晶体学提供了第一个saxiphilin结构 - 图，详细描述了构成蛋白质的原子的三维排列。

有了这些生物化学蓝图，Minor和同事们就能够说明牛蛙对蛤蚌毒素的显着抗性。这些结构揭示了一个捕手的手套“口袋”，它将蛤蚌毒素诱导成强大的静电相互作用。由于无法摆脱这种电动虎钳，蛤蚌毒素不再能够自由地与电压门控钠通道结合并破坏神经信号。

“Saxiphilin充当'毒素海绵'，可以吸收和隔离这种致命的微生物毒药，”Minor说。

Saxiphilin祖先揭示了蛋白质如何发展新的抗毒功能

研究人员还注意到了一种神奇蛋白和转铁蛋白之间的神秘结构相似性，转铁蛋白是一种蛋白质家族，它将铁从红体细胞转运到体内吸收或储存铁的部位。叠加时，两种蛋白质看起来几乎相同。但仔细观察它们的结构揭示了解释它们不同功能的关键差异，并且还表明它们看起来如此相似的原因是因为saxiphilin是从转铁蛋白家族的一个成员进化而来的。

转铁蛋白有两个铁结合位点，其中一个与Minor和同事称之为“原始口袋”相邻。虽然这个原始口袋太小而不能与蛤蚌毒素结合 - 并且不知道它能与任何其他分子结合 - 科学家们能够证明用带负电荷的氨基酸取代少量带正电荷的氨基酸将这种无功能的结构特征转化为拯救生命的蛤蜊毒素海绵。但他们还发现负责蛤蚌毒素结合的分子结构并不是saxiphilin独有的。

“我们的研究结果揭示了saxiphilin和电压门控钠通道如何识别毒素的显着趋同。两种蛋白质共享蛤蚌毒素识别的一般蓝图，”Minor说。

当Minor及其同事将其saxiphilin结构与显示与电压门控钠通道结合的蛤蚌毒素的现有结构进行比较时，他们发现这两类蛋白质具有共同的结构，有助于它们与蛤蚌毒素的相互作用，即使它们在结构上和进化上也是如此。无关。

对来自其他动物的蛋白质序列的分析显示，类似的蛤蚌毒素结合口袋也出现在来自远缘相关物种的蛋白质中，包括高喜马拉雅青蛙。这一发现表明，在进化史上，常见的蛤蚌毒素结合口袋进化了多次，尽管科学家们并不完全确定为什么这些蛋白质首先会进化。

“这项工作是了解有机体如何发展对有毒环境的抵抗力的重要的第一步，”Minor说，并指出该研究具有重要的实际应用，可能对湾区居民特别感兴趣。

“这个问题随着气候变化而增加，并且是严重的公共卫生和商业捕捞危害。过去几年红潮警告多次关闭加州渔业并影响旧金山，马林和圣马特奥县。我们的努力可能导致新的检测蛤蚌毒素和对抗蛤蚌毒素中毒的方法，目前尚无批准的治疗方法。“