研究揭示產毒動物種內競爭的靶標切換機制

動物的生存適應面臨著來自生物因素和非生物因素的挑戰，需要與物種和環境進行密切互作。在物種互作中，動物尤其需要通過種內和種間的競爭來獲取生存資源。產毒動物主要依賴其毒液進行物種互作，它們擁有通過億萬年進化而來的毒液系統，主要依賴毒液成分的生物學功能來進行種內和種間競爭。目前的研究主要集中在毒液介導的種間競爭機制，例如科研工作者發現河豚毒素TTX、蝎毒KTX和海葵ATX，但對產毒動物種內競爭機制的認知還不足。

中國科學院昆明動物研究所研究員賴仞長期關注產毒動物的博弈策略，此前在種間競爭機制的解析方面取得系列進展，如揭示蜈蚣利用毒素進行捕食和防御、蝎子利用毒素進行防御、蛙類利用受體突變逃避毒素作用。近期，在國家自然科學基金重點項目等科研項目的支持下，該團隊以蜈蚣作為研究對象，揭示一種高效應對種間和種內競爭的“靶點切換機制”。

該研究觀察到蜈蚣種群內存在激烈競爭，同時伴隨同類之間的毒液注入。與種間競爭不同，蜈蚣種群內個體之間的毒液注射能迅速導致非致死性的運動系統短暫麻痹，與種內競爭生存資源的生物學意義相吻合。研究發現，蜈蚣的毒液僅專一抑制蜈蚣神經元上的鉀離子流，而對其他類型的離子流并無作用，提示在其種內競爭中發揮功能的可能是一種鉀離子通道。進一步的分子克隆與功能實驗表明，這種鉀離子通道是蜈蚣介導A型瞬時鉀電流的Shal通道。研究還證實，蜈蚣毒素SsTx是介導Shal抑制的關鍵毒液成分。因此，SsTx-Shal的相互作用是介導蜈蚣種內競爭的物質基礎和重要機制，其生物學效應是非致死性運動系統短暫麻痹。

此外，SsTx只作用于蜈蚣的Shal通道，而不作用于其他物種的Shal。進一步研究表明，蜈蚣Shal通道在其孔區353位點上攜帶了一個谷氨酸突變（E353），SsTx正是通過其17位點上的賴氨酸（K17）與蜈蚣Shal的E353形成鹽鍵，從而抑制Shal的功能。對于其他物種而言，該位點上的氨基酸均不帶電荷，無法與SsTx形成相互作用。因此，Shal通道在蜈蚣中可能發生了特化并成為種內競爭的毒素作用靶點。Shal主要分布在蜈蚣的運動神經元和血管環上，SsTx抑制Shal后產生運動神經元的超興奮以及血管環的收縮，進而介導了種內競爭中的短暫麻痹。

在蜈蚣的種間競爭中，毒液成分通過抑制獵物的KCNQ或激活捕食者的TRPV1實施捕食或逃逸被捕食（PNAS，2018）。而蜈蚣的這些受體需要進行特化，對毒液產生耐受，以保持適度的種內競爭強度。因此對產毒動物而言，毒液系統的進化是一把“雙刃劍”，在提升種間競爭效率的同時也伴隨著大量自身受體的特化，避免同種個體的相互殘殺。該研究以SsTx為例，對蜈蚣自身受體的特化進行了探索。研究發現，SsTx能靶向其他物種的Shaker通道，但不作用于蜈蚣的Shaker。這是由于蜈蚣Shaker孔區399位點上攜帶一個精氨酸突變（R399），與SsTx上的正電荷基團形成相斥作用力，消除了SsTx與蜈蚣Shaker的相互作用。

綜上所述，該研究通過探索同一個蜈蚣毒液成分（SsTx）在種間和種內不同受體上的功能轉變，發現一種高效的“靶點切換機制”。該機制使蜈蚣能夠使用同一套毒液成分進行靶點的靈活切換，有效調控適合的種內競爭和種間競爭強度，極大降低了產毒動物的生物能耗。