研究揭示產(chǎn)毒動物種內(nèi)競爭的靶標(biāo)切換機(jī)制

動物的生存適應(yīng)面臨著來自生物因素和非生物因素的挑戰(zhàn)，需要與物種和環(huán)境進(jìn)行密切互作。在物種互作中，動物尤其需要通過種內(nèi)和種間的競爭來獲取生存資源。產(chǎn)毒動物主要依賴其毒液進(jìn)行物種互作，它們擁有通過億萬年進(jìn)化而來的毒液系統(tǒng)，主要依賴毒液成分的生物學(xué)功能來進(jìn)行種內(nèi)和種間競爭。目前的研究主要集中在毒液介導(dǎo)的種間競爭機(jī)制，例如科研工作者發(fā)現(xiàn)河豚毒素TTX、蝎毒KTX和海葵ATX，但對產(chǎn)毒動物種內(nèi)競爭機(jī)制的認(rèn)知還不足。

中國科學(xué)院昆明動物研究所研究員賴仞長期關(guān)注產(chǎn)毒動物的博弈策略，此前在種間競爭機(jī)制的解析方面取得系列進(jìn)展，如揭示蜈蚣利用毒素進(jìn)行捕食和防御、蝎子利用毒素進(jìn)行防御、蛙類利用受體突變逃避毒素作用。近期，在國家自然科學(xué)基金重點項目等科研項目的支持下，該團(tuán)隊以蜈蚣作為研究對象，揭示一種高效應(yīng)對種間和種內(nèi)競爭的“靶點切換機(jī)制”。

該研究觀察到蜈蚣種群內(nèi)存在激烈競爭，同時伴隨同類之間的毒液注入。與種間競爭不同，蜈蚣種群內(nèi)個體之間的毒液注射能迅速導(dǎo)致非致死性的運動系統(tǒng)短暫麻痹，與種內(nèi)競爭生存資源的生物學(xué)意義相吻合。研究發(fā)現(xiàn)，蜈蚣的毒液僅專一抑制蜈蚣神經(jīng)元上的鉀離子流，而對其他類型的離子流并無作用，提示在其種內(nèi)競爭中發(fā)揮功能的可能是一種鉀離子通道。進(jìn)一步的分子克隆與功能實驗表明，這種鉀離子通道是蜈蚣介導(dǎo)A型瞬時鉀電流的Shal通道。研究還證實，蜈蚣毒素SsTx是介導(dǎo)Shal抑制的關(guān)鍵毒液成分。因此，SsTx-Shal的相互作用是介導(dǎo)蜈蚣種內(nèi)競爭的物質(zhì)基礎(chǔ)和重要機(jī)制，其生物學(xué)效應(yīng)是非致死性運動系統(tǒng)短暫麻痹。

此外，SsTx只作用于蜈蚣的Shal通道，而不作用于其他物種的Shal。進(jìn)一步研究表明，蜈蚣Shal通道在其孔區(qū)353位點上攜帶了一個谷氨酸突變（E353），SsTx正是通過其17位點上的賴氨酸（K17）與蜈蚣Shal的E353形成鹽鍵，從而抑制Shal的功能。對于其他物種而言，該位點上的氨基酸均不帶電荷，無法與SsTx形成相互作用。因此，Shal通道在蜈蚣中可能發(fā)生了特化并成為種內(nèi)競爭的毒素作用靶點。Shal主要分布在蜈蚣的運動神經(jīng)元和血管環(huán)上，SsTx抑制Shal后產(chǎn)生運動神經(jīng)元的超興奮以及血管環(huán)的收縮，進(jìn)而介導(dǎo)了種內(nèi)競爭中的短暫麻痹。

在蜈蚣的種間競爭中，毒液成分通過抑制獵物的KCNQ或激活捕食者的TRPV1實施捕食或逃逸被捕食（PNAS，2018）。而蜈蚣的這些受體需要進(jìn)行特化，對毒液產(chǎn)生耐受，以保持適度的種內(nèi)競爭強(qiáng)度。因此對產(chǎn)毒動物而言，毒液系統(tǒng)的進(jìn)化是一把“雙刃劍”，在提升種間競爭效率的同時也伴隨著大量自身受體的特化，避免同種個體的相互殘殺。該研究以SsTx為例，對蜈蚣自身受體的特化進(jìn)行了探索。研究發(fā)現(xiàn)，SsTx能靶向其他物種的Shaker通道，但不作用于蜈蚣的Shaker。這是由于蜈蚣Shaker孔區(qū)399位點上攜帶一個精氨酸突變（R399），與SsTx上的正電荷基團(tuán)形成相斥作用力，消除了SsTx與蜈蚣Shaker的相互作用。

綜上所述，該研究通過探索同一個蜈蚣毒液成分（SsTx）在種間和種內(nèi)不同受體上的功能轉(zhuǎn)變，發(fā)現(xiàn)一種高效的“靶點切換機(jī)制”。該機(jī)制使蜈蚣能夠使用同一套毒液成分進(jìn)行靶點的靈活切換，有效調(diào)控適合的種內(nèi)競爭和種間競爭強(qiáng)度，極大降低了產(chǎn)毒動物的生物能耗。