揭开蛇“毒”基因里演化的“秘密”

银环蛇 王聿凡摄

近日，中国科学院成都生物研究所李家堂研究团队基于多种高通量测序技术，组装了染色体水平的银环蛇参考基因组，同时结合多组织转录组，对银环蛇毒素基因家族的构成进行了深入探索，并进一步解析了眼镜蛇科毒液中重要毒素成分之一——三指毒家族的演化。相关研究成果以《三指毒亚家族的新发现及其结构和功能的分化》为题发表于《细胞报告》。

为何以银环蛇毒素基因家族为研究目标？据了解，银环蛇是眼镜蛇科环蛇属剧毒蛇,其毒液有强烈神经毒性，可以破坏神经递质在神经肌肉间的传递，被银环蛇咬伤后，患者伤口通常不会红肿和疼痛，而只有微痒或轻微麻木感，一般在1到6小时后出现全身症状，包括胸闷、乏力、视物模糊、眼睑下垂、呼吸困难甚至停止。不同研究记录的银环蛇咬伤致死率不同，在没有及时治疗的情况下，死亡率可高达100%。而抗蛇毒血清是治疗银环蛇咬伤中毒的主要药品，但传统的抗蛇毒血清容易出现批次差异且可能导致严重过敏。要设计和开发更安全可靠的新一代抗蛇毒药物，则需依赖全面的银环蛇毒素基因家族序列信息。

记者获悉，此次研究共发现118个银环蛇毒素基因拷贝，分属17个毒素家族，其中三指毒家族（three-finger toxin, 3FTX），I型磷脂酶A2毒素家族（type I phospholipase A2, PLA2 I）和蛇毒Kunitz型丝氨酸蛋白酶抑制剂家族（snake venom Kunitz-type serine protease inhibitor, KUN）的基因拷贝数分别为30个、9个和31个，而这些拷贝的转录表达量可占所有毒素基因表达量的90%以上。

银环蛇毒素基因在染色体上的分布及拷贝数 研究团队供图

三指毒是眼镜蛇科蛇类毒液中最重要、功能分化最多样的毒素家族之一，因序列短、分化大，其起源和演化历程仍未完全厘清。通过重构3FTX及其潜在祖先蛋白的系统发育，并结合不同蛇种3FTX基因簇的共线性信息，研究发现3FTX家族很可能是其旁侧的LY6E祖先经过新功能化（neofunctionalization）产生，并且在眼镜蛇科物种出现前已分化出两个亚家族（分别定义为MKA-3FTX和MKT-3FTX亚家族）。MKT-3FTX在眼镜蛇科内发生大量复制分化，并成为该科蛇类毒液中主要的毒素效应物。

相比之下，MKA-3FTX亚家族在无毒的束带蛇（Thamnophis elegans）中有更多拷贝，而在银环蛇和印度眼镜蛇基因组中只有4个基因拷贝。

3FTX系统发育及共线性关系。（A）3FTX系统发育最大似然树。（B）8种蛇类物种的3FTX基因家族簇及其旁侧保守锚定基因。 研究团队供图

按照系统发育关系，银环蛇MKT-3FTX可被进一步划分为11个亚型。如此高的分化程度可能与银环蛇猎物的系统发育多样性有关（包括泥鳅、蛙、石龙子、其他蛇类和老鼠），是适应不同猎物中3FTX受体变化的结果。另外，MKT-3FTX亚型之一——II型alpha神经毒（即alpha环蛇毒）的基因拷贝多、表达量高且序列极相似，提示了剂量效应在其扩张背后的作用。不同于在毒腺大量表达的MKT-3FTX基因，4个银环蛇MKA-3FTX中只有1个受到正选择的拷贝在毒腺活跃表达，其余3个基因拷贝在肾脏中的表达相对更高。

此外，相比其它MKA-3FTX旁系同源，毒腺中表达的MKA-3FTX在二级结构上多出一个beta片层，进一步提示了该亚家族功能上的分化。

3FTX序列比对及蛋白结构预测。（A）3FTX蛋白序列比对及蛋白结构比较。（B）MKA-3FTX蛋白结构比较。 研究团队供图

3FTX亚家族在不同银环蛇组织中的表达谱。 研究团队供图

该研究结合高质量基因组和多组织转录组，获得了全面的银环蛇毒素基因序列信息，并基于此进一步阐明了3FTX家族的演化。该研究为蛇毒演化和结构功能研究提供了宝贵数据资源，对开发安全可靠的抗蛇毒血清和候选药物有重要应用价值。

据悉，本研究得到中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院前沿科学重点研究计划、国家自然科学基金等项目的资助。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111079