河鲀毒性為何那么強？顏寧在Science發文給你答案

　　 “蔞蒿滿地蘆芽短，正是河豚欲上時”；河豚（又名河鲀）是饕餮們的心頭好，卻又因為其足以致死的毒性而令人膽戰心驚，即便如此，依然抑制不住吃貨們數千年來前赴后繼。在河鲀毒素的化學成分為人所知之前，河鲀的毒性就已經被廣泛記載，其蹤跡可見《山海經》、《神農本草經》、《本草綱目》等，在埃及、日本、墨西哥等國亦有歷史記載。河鲀毒素的毒性遠高于砒霜、氰化鉀等，若進入血液，在小鼠中達到每公斤8微克的微量即可致死，是自然界毒性最強的神經毒素之一。

　　二十世紀中葉，隨著對于神經系統動作電位的研究，科學家們發現河鲀毒素（tetrodotoxin, 簡稱TTX）的毒性就是因為高度特異性地阻斷鈉離子通道從而抑制了動作電位的產生，于是導致神經和肌肉麻痹。

（河鲀。圖片來源：https://curiosity.com/topics/pufferfish-are-incredibly-poisonous-so-why-do-people-eat-them-curiosity/）

　　除了河鲀毒素以外，還有一類結構相似的小分子神經毒素統稱為貝類毒素（saxitoxin，簡稱STX），是毒性最強的海洋生物毒素，其中石房蛤毒素與鈉離子通道的結合能力甚至高于河鲀毒素，是誤食有毒貝類導致神經麻痹中毒的主因。

　　因為TTX和STX對鈉離子通道超高的特異性抑制，自上個世紀70年代起，它們被用來作為分子探針鑒定鈉離子通道。迄今人類9種鈉離子通道亞型根據與TTX的結合能力分為TTX敏感型和非敏感型。

　　除了TTX和STX這種小分子阻斷劑，大自然中還有五花八門的多肽毒素，比如蛇、蝎、蜈蚣、蜘蛛、蟾蜍（請參考《笑傲江湖》之五毒教）的毒液中就包含著長度、成分各異的成千上萬種多肽毒素。動物們利用這些毒素來進行自衛或者捕獵。相當一部分多肽直接作用于電壓門控鈉離子通道，導致獵物麻痹或者被咬者的劇痛。這些多肽毒素一般并非直接阻礙離子通透，而是通過作用于這些通道的電壓感受域來導致鈉離子通道的異常激活（打開）或者失活（關閉），因此這些毒素被稱為“門控調控毒素” （gating modifier toxin, GMT）。由于這些毒素的多樣性和特異選擇性，更適合對癥下藥，有望在理解它們與特定亞型的鈉離子通道相互作用的基礎上開發特異的副作用小的止痛劑或者殺蟲劑，因此這些毒素與鈉離子通道復合物的結構一直為學術界、制藥業、和農業等領域關注。但是由于鈉離子通道本身結構解析的難度，此類結構信息完全空白。

　　北京時間2018年7月26日，顏寧研究組在《科學》（Science）期刊在線發表了題為《動物毒素調節電壓門控鈉離子通道的結構基礎》（Structural basis for the modulation of voltage-gated sodium channels by animal toxins）的研究長文，分別解析了電壓門控鈉離子通道NavPaS與門控調節毒素Dc1a，以及在此基礎上添加河鲀毒素（TTX）和貝類毒素（STX）的冷凍電鏡結構，整體分辨率分別達到了2.8,2.6和3.2，詳細闡述了電壓門控鈉離子通道與相關毒素的作用機理。

　　該項研究分別解析了電壓門控鈉離子通道NavPaS與門控調節劑Dc1a、NavPaS與Dc1a加河鲀毒素（TTX）和NavPaS與Dc1a加石房蛤毒素（STX）的冷凍電鏡結構，整體分辨率分別達到了2.8,2.6和3.2。在此基礎上，研究人員仔細分析結構，詳細闡述了電壓門控鈉離子通道與TTX、STX的作用機理和其受到門控調節劑Dc1a調控的機理。另外，研究人員還在結構中看到了一個結合在通道選擇篩（selectivity filter）中的鈉離子，結合此前的分子動力學模擬研究，文章提出了這類通道實現鈉離子選擇性的可能機制。

　　值得一提的是，2.6是目前已知利用冷凍電鏡技術解析膜蛋白結構的最高分辨率，可以清晰地看到結合的TTX、STX小分子以及鈉離子。而如此高的分辨率僅僅是通過在清華大學強大的電鏡平臺收集的為期2天的數據獲得的。這個結構解析再一次顯示了冷凍電鏡技術在未來進行藥物篩選中的巨大潛力。

　　該工作是顏寧研究組在清華大學成功解析了第一個真核鈣離子通道結構、第一個真核鈉離子通道結構、和第一個鈉離子通道與調控亞基復合物結構之后針對離子通道研究的又一個重要突破，為從基礎研究到轉化應用打下了基礎。

　　原清華大學生命學院、結構生物學高精尖創新中心顏寧教授是該篇研究論文的通訊作者，醫學院副研究員周強以及提供Dc1a并開展相關功能分析的澳大利亞昆士蘭大學的Glenn F. King 教授為共同通訊作者。清華大學醫學院博士后、結構生物學高精尖創新中心卓越學者申懷宗、CLS博士生李張強、昆士蘭大學博士生蔣艷和醫學院博士后、結構生物學高精尖創新中心卓越學者潘孝敬是共同第一作者。原清華大學生命學院博士生吳建平博士也參與了該項研究。通訊作者和第一作者單位均為清華大學。國家蛋白質科學中心（北京）清華大學冷凍電鏡平臺和清華大學高性能計算平臺分別為該研究的數據收集和數據處理提供了支持，特別要感謝清華大學冷凍電鏡平臺的雷建林博士對數據收集進行了指導并對平臺的其他工作人員一并表示感謝。北京市結構生物學高精尖創新中心（清華）、生命科學聯合中心（清華大學）、生物膜與膜生物工程國家重點實驗室、科技部和基金委為該研究提供了經費支持。顏寧教授入職普林斯頓大學后受到Shirley Tilghman講席教授的專項經費支持。