Q1区亮点论文 | 改造蝎毒素charybdotoxin使之成为抗癫痫利器

本文由作者供稿

癫痫是一类由脑内神经元放电异常所介导的脑功能失调综合症。我国有近1000万患者，其中半数以上为青少年。目前癫痫治疗仍以药物为主，虽在改善发作症状方面有效，但存在认知、情感改变，及肝损伤等副作用。即便如此，仍有近30%的患者通过规范治疗不能控制发作。为此，探索新的靶点、开发专一性药物成为了当下研究的热点。

2022年12月31日，来自中国科学院上海有机化学研究所及蛋白质中心、上海中医药大学附属普陀医院、上海大学医学院的研究者，在The Protein Society 的旗舰期刊Protein Science上在线发表了题为“Development of charybdotoxin Q18F variant as a selective peptide blocker of neuronal BK (α+β4) channel for the treatment of epileptic seizures”的研究论文。

临床研究发现，BK通道的基因kcnma1突变与人类癫痫发生密切相关，该通道主要由α功能亚基与组织特异性辅助亚基β（1-4）或γ（1-4）组成，在不同细胞中，行使特定生理功能，其中BK通道(α+β4)主要分布于脑内。

BK通道是许多天然产物，包括蝎毒素的作用靶位点。毒素多肽charybdotoxin（以下简称ChTX）最早发现于以色列金蝎，后在东亚钳蝎中也发现了ChTX的同源多肽，它们是BK通道亚型的特异性阻断剂。其中BK(α+β1)对天然的ChTX非常敏感，而BK(α+β4)对ChTX敏感性较低。那么阻碍BK(α+β4)识别ChTX的分子基础是什么？改造ChTX后，突变体ChTX是否可以通过阻断BK(α+β4)，从而控制癫痫？

为解决上述问题，研究人员通过核磁共振结合计算生物学技术，甄别到了BK通道β4亚基上妨碍蝎毒素charybdotoxin与之结合的关键位点His101。若将ChTX上对应His101的残基Gln18突变为Phe18（以下简称Q18F），则突变体Q18F通过π-π共轭作用，增强毒素与通道受体位点His101的结合，使BK通道(α+β4)对其敏感性显著增强（图1a）。

通过pentylenetetrazole（PTZ）预刺激海马脑片可构建癫痫的脑片模型。ChTX-Q18F可显著减少锥体神经元动作电位的发放频率、延长神经元后超级化电位（afterhyperpolarization，AHP）的时间，降低神经元超兴奋（图1b）。行为学实验显示，相比ChTX-WT，ChTX-Q18F可抑制癫痫发作的总时程，显著减少癫痫大发作的次数和死亡率（图1c），还可明显抑制癫痫模型海马局部场电位的功率谱密度（图1d）。

图1  ChTX-Q18F通过抑制BK通道(α+β4)干预癫痫发作

截止目前，钾通道与毒素多肽互作的模式主要有两种：1. Iberiotoxin、Slotoxin与BK(α)类，毒素多肽犹如“塞子”一般阻塞在钾通道的孔区，抑制了钾离子的外流；2. Hanatoxin, VSTX与电压门控钾通道（Kv）类，多肽像一把“匕首”通过刺入质膜，影响了钾通道电压感受桨的门控功能，限制了钾离子的外流。那么，ChTX、MarTX、ChTX-Q18F应属于新的一类钾通道多肽，它们借助识别BK通道的辅助β亚基，易化了它们对通道的抑制效应。

此外，ChTX-Q18F和MarTX也是新近发现的通过特异性抑制BK(α+β4)干预癫痫的神经毒素多肽。ChTX-Q18F和MarTX就好比是东汉末期长坂坡大战时的张飞一般（图2），矗立在长版桥（即BK(α+β4)通道）上，阻止了曹操大军的进攻（即钾离子的过度流动介导的神经超兴奋），保护了荆州军民（即机体）。

图2  ChTX-Q18F和MarTX抗癫痫机制的漫画图

该项目得到了国家自然科学基金面上项目（21977110，22174155，22177127和82074162）等课题的资助。

转自：“解说科研项目”微信公众号

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