里來(lái)-基礎科研與臨床前研究CRO全覆蓋平臺

加州大學(xué)圣地亞哥分校斯克里普斯海洋研究所的科學(xué)家們在研究海藻如何產(chǎn)生復雜化學(xué)毒素的過(guò)程中，發(fā)現了迄今為止生物學(xué)中最大的蛋白質(zhì)。通過(guò)揭示海藻生成復雜毒素的生物機制中，研究人員還發(fā)現了一些此前未知的化學(xué)合成策略，這種最大的蛋白質(zhì)在生成毒素的過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。

研究人員在研究一種名為 Prymnesium parvum 的藻類(lèi)如何產(chǎn)生毒素時(shí)發(fā)現了這種蛋白質(zhì)，并將其命名為 PKZILLA-1。

“這就像是蛋白質(zhì)領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰，” 在斯克里普斯海洋學(xué)和斯卡格斯藥學(xué)與制藥科學(xué)學(xué)院聯(lián)合擔任的海洋化學(xué)家的布拉德利·摩爾說(shuō)，他是該研究的資深作者。“這拓展了我們對生物學(xué)潛力的認識。”

PKZILLA-1 的體積比此前的記錄保持者——存在于人體肌肉中的肌聯(lián)蛋白（Titin）大25%。肌聯(lián)蛋白的長(cháng)度可達1微米（0.0001厘米或0.00004英寸）。

這項研究由美國國立衛生研究院和國家科學(xué)基金會(huì )資助的研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。研究表明，這種巨型蛋白質(zhì)與另一種超大但未破紀錄的蛋白質(zhì)PKZILLA-2是產(chǎn)生原澡毒素的關(guān)鍵。此外，研究還發(fā)現了支持 Prymnesin 背后毒素生產(chǎn)的巨大基因，這些基因為 Prymnesium parvum 提供了制造蛋白質(zhì)的藍圖。

找到支持Prymnesin毒素生成的相關(guān)基因，有助于通過(guò)水質(zhì)監測尋找這些基因，而不是毒素本身，從而改進(jìn)有害藻華的監測工作。

“通過(guò)監測基因而不是毒素，我們可以在藻華爆發(fā)前捕捉到它，而不是等到毒素擴散后才進(jìn)行識別，”斯克里普斯實(shí)驗室的博士后研究員、該論文的共同第一作者蒂莫西·法倫（Timothy Fallon）說(shuō)道。

PKZILLA-1和PKZILLA-2蛋白質(zhì)的發(fā)現，還揭示了海藻用于構建毒素的復雜細胞裝配機制。對這些毒素生成過(guò)程的深入理解可能對嘗試合成新化合物以用于相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家有所幫助。

“了解大自然如何進(jìn)化其化學(xué)魔法，賦予了我們作為科學(xué)從業(yè)者能夠將這些見(jiàn)解應用于創(chuàng )造有用產(chǎn)品的能力，”摩爾說(shuō)。

Prymnesium parvum，也被稱(chēng)為金藻，是一種單細胞水生生物，在全球的淡水和咸水中都有發(fā)現。金藻產(chǎn)生的毒素會(huì )損害魚(yú)類(lèi)和其他水生動(dòng)物的鰓。2022年，波蘭和德國交界的奧得河就發(fā)生金藻大量繁殖,這種微生物可能會(huì )對從德克薩斯州到斯堪的納維亞半島等地的水產(chǎn)養殖系統造成嚴重破壞。

Prymnesin 屬于一種被稱(chēng)為聚酮化合物聚醚（Polyketide polyethers）的毒素，其中包括Brevetoxin B（赤潮期間常見(jiàn)于佛羅里達州的主要毒素）和雪卡毒素（會(huì )對南太平洋和加勒比海地區的珊瑚魚(yú)造成污染）。這些毒素是生物界中最龐大且結構最復雜的化學(xué)物質(zhì)之一，研究人員幾十年來(lái)一直在努力弄清這些微生物是如何生產(chǎn)出如此龐大且復雜的分子的。

自2019年起，摩爾、法倫和維克拉姆·申德（摩爾實(shí)驗室的另一名博士后研究員，也是該論文的共同第一作者）便著(zhù)手研究金藻在生化和遺傳層面上是如何產(chǎn)生毒素 Prymnesin 的。

研究團隊首先對金藻的基因組進(jìn)行了測序，并尋找與 Prymnesin 生產(chǎn)有關(guān)的基因。傳統的基因組搜索方法未能取得成果，因此團隊轉而采用更適合尋找超長(cháng)基因的替代方法。

“我們最終找到了這些基因，結果發(fā)現，這種藻類(lèi)用巨大的基因來(lái)產(chǎn)生巨型的有毒分子，”申德說(shuō)道。

在找到PKZILLA-1和 PKZILLA-2基因后，團隊需要研究這些基因所編碼的蛋白質(zhì)，并將它們與毒素的生產(chǎn)聯(lián)系起來(lái)。法倫表示，團隊能夠像閱讀樂(lè )譜一樣解讀這些基因的編碼區域，并將其轉化為構成蛋白質(zhì)的氨基酸序列。

當研究人員完成對 PKZILLA 蛋白的組裝后，他們對其巨大的體積感到震驚。PKZILLA-1蛋白質(zhì)的質(zhì)量創(chuàng )下了4.7兆道爾頓的記錄，而 PKZILLA-2也非常龐大，達到了3.2兆道爾頓。此前的記錄保持者肌聯(lián)蛋白（Titin）可達到3.7兆道爾頓——是典型蛋白質(zhì)的約90倍。

進(jìn)一步的測試證實(shí)，金藻在自然條件下確實(shí)會(huì )產(chǎn)生這些巨型蛋白質(zhì)。隨后，研究團隊試圖確定這些蛋白質(zhì)是否參與了毒素Prymnesin的生產(chǎn)。PKZILLA蛋白質(zhì)實(shí)際上是酶，它們啟動(dòng)化學(xué)反應，研究團隊通過(guò)筆記本和鋼筆推演了這兩個(gè)酶涉及的239個(gè)化學(xué)反應序列。

“最終結果與Prymnesin 的結構完美吻合，”申德說(shuō)道。

通過(guò)追蹤金藻制造毒素的化學(xué)反應鏈，研究揭示了自然界中此前未知的化學(xué)合成策略。摩爾補充道：“希望我們能夠利用大自然如何制造這些復雜化學(xué)物質(zhì)的知識，在實(shí)驗室中開(kāi)創(chuàng )新的化學(xué)可能性。”

發(fā)現Prymnesin毒素背后的基因，可以為金藻藻華的監測提供更具成本效益的方法。這種監測可以檢測環(huán)境中的PKZILLA基因，類(lèi)似于在COVID-19 大流行期間熟悉的PCR測試。改進(jìn)的監測技術(shù)可以提高防范水平，并可以更詳細地研究藻華容易爆發(fā)的條件。

法倫表示，研究團隊發(fā)現的PKZILLA基因是有史以來(lái)首個(gè)被確認為與任何海洋聚醚類(lèi)毒素產(chǎn)生有因果關(guān)系的基因。

接下來(lái)，研究人員希望將他們用于發(fā)現PKZILLA基因的非標準篩選技術(shù)應用到其他生產(chǎn)聚醚毒素的物種中。如果他們能夠找到其他聚醚毒素（如每年可能影響多達50萬(wàn)人的雪卡毒素）背后的基因，那么同樣的基因監測方法也可以用于一系列具有全球影響的其他有毒藻華的監測中。

雜志：Science