蛇毒中毒素的进化关系

近20年来，人们对蛇毒蛋白的结构进行了大量研究，积累了丰富的数据。从现有资料中，对各种蛋白质进行结构分类，从而推测蛋白质在进化过程中的关系。目前，蛇毒中的毒素主要根据其化学结构和药理性质进行分类，根据其结构的不同可分为四类。

突触后神经毒素：包括长链和短链神经毒素。

膜毒素： 这些包括心脏毒素、细胞毒素、直接溶血因子、白唇曼巴毒素和黑唇眼镜蛇毒素。后两种毒素是分别从白唇曼巴蛇和黑唇眼镜蛇的毒液中分离出来的小分子毒素。它们在分子结构上与心脏毒素相似，但具有不同的免疫特性。

具有磷脂酶A2结构的毒素。

(1) 其他毒素： 如响尾蛇碱等。

蛇毒毒素演化关系的研究经历了一个曲折的过程，产生了许多有争议的理论和观点，其中一些尚未得到解决。一方面，这是因为有很多方法可以从蛋白质结构数据中确定它们之间的进化关系。这些方法各有优缺点，不同方法得出的结论也不完全相同；关于毒素蛋白的一级结构和高级结构的信息不多，这使得一些方法在统计学上缺乏坚实的基础。

蛇毒中的毒素比较复杂，在结构上与其他动物毒素有很大不同。一般认为，蛇毒中的毒素与其他动物毒素没有太大的相关性，很可能是由蛇体内的某种蛋白质前体演化而来。一种可能的前体是蛇体内的磷脂酶A2。比较黑唇眼镜蛇毒液中PLA2和毒液中心脏毒素V-2的氨基酸序列（如图3-15-8所示），发现有很多相似之处

区域。比如58-118区域有两种分子，非常相似。 PLA2中，3、15、22、43、60位的半胱氨酸、Tyr12、Tyr52、Ala4。-Alau、Leu7、Gly18、Gly25、Lys2f^Arg53|5与相应位点的氨基酸残基相同心脏毒素分子。从图3-15-8还可以看出，a-Bungaro-toxin、NoteXin等心脏毒素在结构上也与PLA2非常相似。目前普遍认为蛇毒中的毒素与PLA2在结构上具有较大的同源性。通过蛋白质同源性比较得出的主要结论是，cardiotoxin与PLA2的进化关系最密切，因此提出cardiotoxin是从PLA2进化而来，cardiotoxin是其他毒素的祖先。至于PLA2 如何演变成心脏毒素，有一种理论值得考虑：

在古眼镜蛇毒液中，PLA2以二聚体形式存在，对红细胞有直接溶血作用。这种溶血很可能是通过二聚体中一个亚基的作用进行的。在进化过程中，该亚基的肽链从氨基末端逐渐缩短，但仍具有与PLA2聚合的作用，PLA2可能是心脏毒素的前体，未来进一步演变成心脏毒素。支持这一理论的一个证据是，PLA2 可以增强心脏毒素的作用；另一个证据是心脏毒素和PLA2 都可以以二聚体的形式存在。

蛇毒的另一个可能的祖先是牛核糖核酸酶。牛核糖核酸酶的结构与Cobrotoxin 具有较小的同源性。从可怕的响尾蛇亚种的毒液中分离出响尾蛇

蛇胺与牛核糖核酸酶有较大的同源性。如图3-15-9所示，在55到95的区域，巴豆胺有4个半胱氨酸（分子中有6个半胱氨酸），牛核糖核酸酶也有4个半胱氨酸（分子中共有5个半胱氨酸），该区域中两种蛋白质的氨基酸序列非常相似。在第30 位附近，两种蛋白质具有相似的序列Asp-Cys-Arg。

乍一看，响尾蛇胺与眼镜蛇毒素没有同源性，但牛核糖核酸酶与眼镜蛇毒素有一定的同源性，而后者又与PLA2有同源性，所以用眼镜蛇毒素作为中间分子。牛核糖核酸酶、PLA2和毒液毒素的结构是相连的，如图3-15-10所示。从图片中可以看出，丁7119-0782。 33-34-7835, 7864, 7871 和883 这些残基在12、牛核糖核酸酶和毒素分子中都是相对保守的。

结合各种主要论点，Strydom 等人。 (1979) 绘制了核糖核酸酶PLA2 与各种蛇毒毒素之间的进化关系图。

从图3-15-11可以看出，蛇毒起源于一个共同的祖先蛋白，称为磷脂酶-核糖核酸酶的祖先，也是现代PLA2和核糖核酸酶的祖先蛋白。祖先蛋白在进化过程中分化为两个进化枝，一个进化为有毒毒素的前体，另一个进化为有毒毒素核糖核酸酶、PLA2与有毒毒素之间进化关系的前体。根据核糖核酸酶途径的进化，在至少对现代的RNase和巴豆胺进行了分化，按照PLA2路线的演化，首先分化为PLA2和毒素。相较于其他毒素的亲缘关系更远的眼镜蛇毒PLA2和毒蛇毒PLA2，这两种蛇毒PLA2几乎是从毒蛇毒PLA2的祖先独立进化而来。从图3-15-11可以看出，眼镜蛇毒PLA2与毒素，尤其是心脏毒素有共同的祖先，这个祖先通过缩短肽链长度演化为心脏毒素，心脏毒素或其他祖先通过神经毒性分化进化。成为神经毒素。神经毒素从非神经毒性毒素的演化过程还不是很清楚，但估计与活性中心Trp和Arg-Gly的获得，以及通过置换获得几种碱性氨基酸有关。一般认为，长链神经毒素首先与心脏毒素分化，长链神经毒素进一步演化为短链神经毒素和型毒素，短链神经毒素进一步演化为毒素。

关于毒素分化之间的关系目前还存在一些争议，主要有以下几个方面：

And型毒素可能由短链神经毒素演化而来，也可能与短链神经毒素无关。

型毒素的进化位置也有争议。主要表现在这种毒素的第1和第2个 半胱氨酸之间氨基酸数目与短链神经毒素相应的位置氨基酸数目相等，很难想象两个互 不相干的进化过程会有如此相似的偶合，它们之间的关系可能比图3-15-11中表示的关 系还要近些。

(3)沟牙类毒蛇蛇毒PLA2与管牙类毒蛇蛇毒PLA2的分支点不清楚。及to与 hr0d0n类蛇毒PLA2的顺序与心脏毒素的顺序相差较大，而眼镜蛇毒PLA2与心脏毒素 顺序相差较小。管牙类毒蛇蛇毒的PLA2相对来说没有什么毒性，但圆斑蝰0^'和ra rw- ^脱)蛇毒PLA2有很强的毒性，与黑颈眼镜蛇(从蛇毒PLA2毒性相当。其他 毒性较强的蛇毒PLA2有管牙类毒蛇类蛇毒PLA2W及从响尾蛇恐怖亚种

蛇毒中分离出来的PLA2。现代观点认为，在眼镜蛇毒和海蛇毒中心脏毒素还没有从 PLA2演化出来之前，蝰蛇和响尾蛇就与眼镜蛇和海蛇分开，如果管牙类蛇毒具有高毒性 PLA2的顺序与眼镜蛇毒PLA2相似，那么这种观点就要改变。按照现代观点可以预计管 牙类蛇毒毒性PLA2的活性中心与眼镜蛇毒毒性PLA2不同，甚至毒理作用也可能不同，毒性PLA2是PLA2向突触前神经毒过渡的中间态。

毒素分子进化树反映了眼镜蛇毒毒素和海蛇毒毒素之间的大致关系，至于响尾蛇毒 和蝰蛇毒毒素之间的进化关系比较复杂，还没有足够的资料来说明这个问题，现在只知道 响尾蛇胺与核糖核酸酶同源。响尾蛇毒和蝰蛇毒含有较多的出血毒素，这类出血毒素大部 分具有蛋白水解酶活性，它们的祖先蛋白可能是蛇毒中原来起消化食物作用的蛋白酶。应 该指出的是，不能随意用分子进化关系来确定种属之间的亲缘关系。因为尽管二者有联 系，但分子进化关系反映的毕竟是基因进化关系而不是亲缘关系。

随着越来越多的蛋白质结构被分析出来，我们会积累更多的资料，由此我们会弄清为 什么有些PLA2有毒性而另一些无毒性，也会清楚PLA2与突触前神经毒素在各蛇毒中 的分布。对PLA2和爬行动物核糖核酸酶分子顺序的分析有助于弄清这些酶为什么会进 化成毒素，对毒素毒理作用的进一步研究将为阐述这些毒性蛋白的关系提供证据,计算机 在分子进化研究中的应用为这方面的研究提供了极大的方便。