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科研进展

膜靶向支架: 从防御到进攻

揭示蛋白质功能创新的分子事件是当今进化生物学研究的核心科学问题,其研究成果也将有助于指导合理的新分子设计。蝎毒素和昆虫防御素共享保守的空间结构和相关的生物学活性。两者均通过破坏靶标生物的细胞膜的结构和功能实现捕食和防御。为研究在保守的结构支架上衍生出新的生物学功能提供了理想的模型。为了在实验室条件下实现从昆虫防御素到神经毒素的转换,我们尝试从寻找连接蝎毒素和昆虫防御素的进化中间体入手。从74条蝎毒素序列中提取到蝎毒素典型的结构和功能特征信息(Scorpion toxin signature),建立了识别这类毒素家族的分子脸谱。然后,我们利用计算生物学方法分析了6个昆虫目的防御素分子,发现两个有毒目昆虫(膜翅目和半翅目)的部分防御素拥有蝎毒素的分子脸谱。

为了鉴定这些潜在进化中间体的结构和功能,我们选择了丽蝇蛹集金小蜂的防御素 Navidefensin2-2开展了实验性进化研究。发现实验删除Navidefensin2-2的一个氨基端环区可以消除防御素-通道间相互作用的空间位阻,进化成高亲和力靶向K+通道的神经毒素(命名为Navitoxin)。进一步的核磁共振(NMR)分析表明这种昆虫防御素衍生的毒素呈现典型的半胱氨酸稳定的α螺旋和β-折叠片层的蝎毒素的空间结构。突变两个定位于分子脸谱的关键氨基酸残基完全消除或显著降低了Navitoxin对通道的结合,表明该分子和蝎毒素采用相似的K+通道结合模式。我们的研究首次揭示了防御素支架从防御到进攻转换的主要分子事件,证实了有毒动物神经毒素起源的可预见性。该策略也首次用实验方法建立了两个远缘相关蛋白家族的进化关系,为进化指导的毒素类药物设计提供了新的思路。

该研究得到了国家自然科学基金的资助。比利时鲁汶大学和日本高等科学技术研究院的科学家参加了该项目的研究。相关工作已在 Mol Biol Evol发表(Zhu et al. 2014. Mol Biol Evol 31:546-559)。BBC NatureScience Daily等新闻媒体对该工作进行了报道。

 

 

 

 

无脊椎动物疾病抗性基因进化起源研究

果蝇和真菌同属食腐生物,取食腐烂水果的分解物。在此微生态环境中,它们因为营养获取而成为竞争对手。研究发现,果蝇抵抗真菌感染主要依靠一种类似于植物防御素类的果蝇素分子(Drosomycin)。这类分子构成果蝇和植物天然免疫的关键组份。其不连续的系统发育分布以及植物和果蝇紧密的生态学上的联系,提示这种抗真菌疾病抗性基因可能存在植物-果蝇水平基因转移的可能性。

为了分辨这一问题,我们首先分析了与果蝇同属蜕皮动物的线虫基因组,发现了腐生水果线虫Caenorhabditis remanei和北方根结线虫Meloidogyne hapla基因组编码类果蝇素基因。在C. remanei,这些基因构成了一个由15个成员组成的多基因家族(命名为线虫素Cremycin-1Crymycin-15)。线虫素与果蝇素以及植物防御素享有高度的序列和结构相似性。半定量RT-PCR证实真菌攻击数小时后大多数线虫素基因转录水平显著上调。化学合成的线虫素-5与果蝇素具有同等的抑制丝状真菌生长的能力。显微观察表明线虫素-5通过破坏丝状真菌的孢子结构导致其无法发育为菌丝。此外,研究还发现线虫素-5通过抑制胞质分裂有效抑制一系列致病酵母菌临床分离株的生长,且具有较低的溶血性和高度的血清稳定性。进一步大范围的数据库搜索合并分子克隆技术,研究人员发现除了果蝇和线虫外,一些其它的昆虫(如家蝇,四纹豆象等)以及来自于节肢动物门的蛛形纲,内口纲和多足纲动物,甚至缓步动物门等蜕皮动物均含有果蝇素基因。相反,非蜕皮动物的多细胞动物、原生动物以及真菌均缺乏果蝇素基因。这些数据表明蜕皮动物的果蝇素基因可能起源于早期的植物抗性基因的水平转移。在随后的蜕皮动物物种形成过程中完成了垂直遗传,基因复制以及结构和功能分化。

该研究首次利用基因组资源和生态学思路揭示了一个真核生物疾病抗性基因复杂的进化历史以及结构和功能分化的主要分子事件,为从腐生蜕皮动物基因组数据发掘具有治疗潜能的抗真菌感染的肽类抗生素带来了新的希望。相关工作已在Nat Commun上发表(Zhu & Gao. 2014. Nat Commun 4:3154)。

 
 
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