司美格鲁肽的走红引发了 GLP-1 减肥药的研发热，而首个被批准上市的 GLP-1 药物却是源于 Gila Monster 毒液中的艾塞那肽。多肽被发现是动物毒液中的关键活性物质之一，因对多种离子通道、受体和酶具有高效和高选择性受到科研界与工业界的广泛关注。今天，和小 M 一起来探索这种神秘物质吧！
多肽类毒素通常在动物中发现，常见的有毒动物包括芋螺属、节肢动物 (如蜘蛛、蝎子、蜈蚣) 、脊椎动物 (如蛇、蜥蜴) 及腔肠动物 (如水母，海葵) 等[1]。
毒液通过这些动物的毒牙、倒刺、毒刺等注射到生物体中进行狩猎或防御，小剂量的毒液就可以使猎物感到痛苦甚至死亡。动物毒液由蛋白、多肽及小分子等活性物质组成，毒素肽是其中最具攻击性的分子之一[2]。
图 1. 产生毒素肽的芋螺、海葵、蛇、吉拉怪、蜘蛛和蝎子[3]。
毒素肽具有显著的种属和结构多样性，可作用于多种离子通道、膜蛋白受体和酶。
在漫长的自然演化中，毒素肽与其目标细胞及分子靶点趋于协同进化，从而优化它们的作用，使其成为目标受体的高选择性配体[4]。这些受体主要参与疼痛相关的信号通路，如钠离子通道、钙离子通道、烟碱乙酰胆碱受体(nAChRs)、去甲肾上腺素转运蛋白(NET)、NMDA 受体和神经紧张素受体等 (图 2)[3]。
图 2. 预测毒液肽靶向蛋白的拓扑结构[3]。
▐ 离子通道的掌控者
离子通道是一种多样的膜蛋白，与神经元信号传导、肌肉收缩等生理功能密切相关。调节离子通道是毒液肽最典型的作用方式之一。许多毒液肽具有多个半胱氨酸，可形成二硫键，使得这些多肽具有刚性结构，对离子通道具有高亲和力。
其中一个典型代表是 iCK (inhibitor cysteine knot) 结构，I-IV、II-V、III-VI位的 Cys 残基成二硫键是形成 iCK 结的必要条件，两个二硫键及其主链形成嵌入环，主链段由第三个二硫键贯穿 (图 3A)[5]。含有这种稳定骨架的毒素肽，通常是有效的离子通道阻滞剂、溶血剂以及具有抗病毒和抗菌活性的分子。如狼蛛毒液肽 ProTx II ，是一种高效的钠离子通道 hNaV1.7 抑制剂，具有作为疼痛治疗剂的潜力 (图 3B, C) [6]。
图 3. iCK 结构与ProTX II 作用模型示意图[6][7]。
(A) ICK 模型结构; (B) ProTx-II 结构示意图, 黄色表示二硫键; (C) ProTx-II 与膜及钠离子通道 Nav1.7 结合的示意图，绿色表示与膜结合的氨基酸残基；蓝色表示与钠离子通道结合的氨基酸残基。
▐ 毒素肽与酶结合
少部分毒素肽的靶点是酶，如磷脂酶 A2 (PLA2)、血管紧张素转化酶 (ACE)、凝血酶 (Thrombin) 等。水蛭素 (Hirudin) 是水蛭中提取出的一种强效凝血酶抑制剂，具有抗凝血、抑制血小板聚集、改善血液流等功能，在水蛭吸血过程中起到了关键性的作用。源自巴西响尾蛇 (Bothrops jararaca) 毒液的缓激肽增强肽 b (BPPb)，可通过抑制 ACE I 降低血压、引发猎物休克[1]。
图 4. Hirudin 与 Thrombin 的结合示意图[8]。
▐ 毒素肽作用于膜蛋白受体
除去离子通道及酶外，部分毒素肽会作用于其他膜蛋白受体，如 nAChRs、NMDA 受体、神经紧张素受体、GLP-1 受体 (GLP-1R) 等发挥作用[3]。这些受体多与生物体神经、心血管功能或疼痛相关。例如，α-芋螺毒素 (α-Conotoxins) 是分离自芋螺的一类毒素，可以竞争性地抑制 nAChRs 使目标的肌肉松弛。而同样分离自芋螺的 Conantokins 则作用于 NMDA 受体，可使猎物的感觉系统钝化，处于安眠状态。
有毒动物在人类社会中的应用源远流长，如蝎曾被用于治疗痉挛与内风。进入到现代社会以来，许多动物毒素的作用机理在分子水平上被研究和揭示，成为药物开发的宝贵资源，被广泛用于癌症、心血管疾病、糖尿病、阿尔兹海默症等疾病的药物开发中。
艾塞那肽(Exenatide,HY-13443) 是火热的 GLP-1 药物家族中首个被 FDA 批准的 GLP-1 类似物，也是从动物毒液中发现的一个经典药物，用于治疗 2 型糖尿病(T2D)。
GLP-1 是一组可以在进食后促进胰岛素分泌，从而调节血糖的“肠促胰岛素”，随后科学家基于 GLP-1 的活性形式 GLP-1 (7-37)进行了药物开发，却长期困于其在人体内酶解速率快及肾脏清除率高两个问题[9]。90 年代早期，于 Gila monster 毒液中发现的 Exenatide 与 GLP-1 (7-37) 的同源性为 53%，同样作为 GLP-1R 的激动剂，具有抗 DPP4 酶解及较低的人体肾脏清除率，被开发作为 T2D 的治疗药物[9]。
图 5. Gila monster 中分泌的 Exenatide 与 GLP-1 (7-37) 序列的对比[9]。
部分毒液肽由于稳定性、生物利用度等问题不能直接作为药物，而是作为药物前体或先导化合物，经过一定的药物化学修饰及设计进行开发。如来匹卢定 (Lepirudin)是基于 Hirudin 开发的重组水蛭素，在 N 端第一位氨基酸进行了 Ile 取代，并去掉了 63 位 Tyr 上的磺酸修饰，减少了 Hirudin 的出血风险[10]。比伐卢定 (Bivalirudin) 则是基于 Hirudin 的片段开发的短肽类药物，其分子量较小，通过与凝血酶催化位点和阴离子外结合位点结合而抑制期其活性，相比 Lepirudin，其抑制作用是可逆的，且免疫原性更低，于 2000 年被批准上市[11]。
本期小 M 为大家介绍了神奇的毒素肽、它们的作用机制及在药物开发领域的应用。而迄今为止，只有很少一部分毒素肽被研究解析出来，被应用到临床的毒素肽更是寥寥数几，数量巨大的毒素肽仍然等待小伙伴们去发现和研究~
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参考文献：
[1] Chen N, et al. Animal protein toxins: origins and therapeutic applications. Biophys Rep. 2018;4 (5):233-242.
[2] V V, et al. Venom peptides - A comprehensive translational perspective in pain management. Curr Res Toxicol. 2021 Sep 9;2:329-340.
[3] Lewis RJ, et al. Nat Rev Drug Discov. 2003 Oct;2 (10):790-802.
[4] Palma MS. Peptides as toxins/defensins. Amino Acids. 2011 Jan;40 (1):1-4.
[5] Dutertre S, et al. Use of venom peptides to probe ion channel structure and function. J Biol Chem. 2010 Apr 30;285 (18):13315-20.
[6] Henriques ST, et al. Interaction of Tarantula Venom Peptide ProTx-II with Lipid Membranes Is a Prerequisite for Its Inhibition of Human Voltage-gated Sodium Channel NaV1.7. J Biol Chem. 2016 Aug 12;291 (33):17049-65.
[7] Saez NJ, et al. Spider-venom peptides as therapeutics. Toxins (Basel). 2010 Dec;2 (12):2851-71.
[8] Pennington MW, et al. Peptide therapeutics from venom: Current status and potential. Bioorg Med Chem. 2018 Jun 1;26 (10):2738-2758.
[9] Muttenthaler M, et al. Trends in peptide drug discovery. Nat Rev Drug Discov. 2021 Apr;20 (4):309-325.
[10] Yee, J. xPharm: The comprehensive pharmacology reference. Editor BYLUND SJEADB, editor, Elsevier, 2008.
[11] Shammas NW. Bivalirudin: pharmacology and clinical applications. Cardiovasc Drug Rev. 2005 Winter;23 (4):345-60.
