生物毒素广泛存在于动物、植物和微生物中,是生物在长期进化过程中形成的捕食、防御和竞争的“化学武器”,主要包括蛋白质、多肽及小分子化合物等。相比一般化学毒物,生物毒素具有高活性、强靶向性和分子多样性,既可能对人类健康构成威胁,也在疾病机理研究与药物开发中展现出独特价值。代表性药物如卡托普利、肉毒毒素、齐考诺肽及GLP-1受体激动剂,奠定了毒素应用的里程碑。目前已有百余种毒素类候选药物进入临床试验,覆盖多类重大疾病。但该领域仍面临资源挖掘效率低、结构与机制解析不足、高毒性及合成改造受限等挑战。未来,随着多组学、人工智能与合成生物学的发展,将实现生物毒素的高效发现、低毒化改造与精准应用,推动从基础研究向临床转化。

肺癌对世界公共卫生安全造成严重威胁,化疗作为其治疗的主要策略面临着毒性大且易产生耐药性等挑战。抗癌肽(anticancer peptides)因广谱抗癌活性、作用迅速而不易产生耐药性等优势,具有开发成新型抗癌药物的前景。但其也面临着活性较弱、毒副作用较强等不足。肿瘤弱酸性微环境(pH 6.5~6.8)为高效低毒的抗癌肽设计提供了良好的思路。前期以狼蛛毒素Lycosin-I为模板设计了酸敏感抗菌肽pHly-1,本研究发现,pHly-1也具有酸敏感抗癌活性。进一步对pHly-1展开丙氨酸扫描分析,获得了一个酸敏感性更优的突变体pHTP-2,其在pH 6.6下对A549细胞作用的IC₅₀为15.68 μmol/L,而在pH 7.4下的IC₅₀则大于100 μmol/L。在pH 6.6下,pHTP-2可作用多种肺癌细胞系,并可以快速裂解方式诱导A549细胞死亡。在pH 7.4下,500 μmol/L的pHTP-2对红细胞(溶血率约为38%)和原代心肌细胞毒性(抑制率为49.7%,p<0.05)较弱。分析其电荷、水合粒径、形貌和二级结构表明,pHTP-2在pH 6.6下序列中的His残基发生质子化,正电荷增加(p<0.01),水合粒径减少(p<0.05),形成α-螺旋结构诱导A549细胞发生膜裂解;在pH 7.4下His残基则发生去质子化,正电荷减少,形成β-折叠结构而自聚集,限制了其对A549细胞膜的作用,表现出弱活性。综上,pHTP-2能响应肿瘤弱酸性微环境发挥选择性细胞毒活性,有效克服抗癌肽低效高毒的不足,是一个优质的抗癌药物先导分子。

Kv1.3是一种电压门控钾通道,在T淋巴细胞、神经系统和血管平滑肌细胞中高表达。它在细胞膜兴奋性和电信号传导中发挥关键作用,是研究T细胞功能的重要靶点,也为研发针对自身免疫性疾病和炎症性疾病的药物提供了新方向。因此,开发特异性抑制Kv1.3通道的药物已成为治疗这些疾病的新策略。本研究利用反相高效液相色谱技术从海南双针蝎(Lychas mucronatus)毒液中分离纯化到一个新的对Kv1.3有强抑制活性的多肽毒素LmKTx13,其含38个氨基酸残基,其中6个半胱氨酸形成3对二硫键。全细胞膜片钳检测显示,LmKTx13抑制Kv1.3的半数抑制浓度为7.92 ± 3.0 nmol/L。在选择性分析中,发现2 μmol/L LmKTx13对Kv1.2和Kv1.7也具有抑制活性,但对其他多种钾通道亚型和电压门控钠通道均未表现出抑制作用。此外,通过LmKTx13对Kv1.3通道动力学的影响研究,以及对Kv1.3和Kv1.5的孔道区序列进行比对分析,构建定点突变体,确定Kv1.3孔道区是LmKTx13抑制通道电流的关键区域,其中T425、G427和H451是LmKTx13作用的关键氨基酸残基。综上,本研究从海南双针蝎毒液中发现一个新的孔道堵塞型Kv1.3多肽抑制剂,具有高亲和力和高选择性,是一个潜在的靶向Kv1.3药物研发先导分子。

伤口的修复和感染一直是临床医学中面临的巨大挑战。两栖动物生存环境复杂,长期的自然选择下,其皮肤系统进化出抵抗外界损伤和快速修复创伤的能力,成为挖掘促伤口愈合候选分子的重要来源。本研究以凹耳臭蛙(Odorrana tormota)的cDNA文库为研究对象,通过序列比对筛选出1条序列为“VGKAGLETAACKATNSCFNIDW”的新型多肽,由22个氨基酸组成,分子量为2 299.6 D,命名为PN-VW22。进一步通过固相合成法制备多肽,利用细胞计数试剂盒- 8法(cell counting kit-8, CCK-8)和细胞划痕实验测定PN-VW22多肽对人角质形成细胞(human keratinocyte, HaCaT)和小鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblast, NIH3T3)的细胞增殖影响。采用最小抑菌浓度测定(minimum inhibitory concentration, MIC)评估多肽的抗菌活性。结果表明,不同浓度的PN-VW22对NIH3T3细胞活力无明显影响(P >0.05),但在0.5 μmol/L的浓度下显著提高HaCaT的细胞活力(P＜0.001)。同时PN-VW22能够诱导HaCaT细胞增殖,促进HaCaT细胞的伤口愈合,在0.5 μmol/L的浓度孵育24 h后伤口愈合率为64.44%。此外,PN-VW22对金黄色葡萄球菌表现出一定的抗菌效果,其MIC值为13.92 μmol/L。本研究成功鉴定了1条具备伤口修复和抗感染的双功能新型多肽PN-VW22,为伤口愈合药物开发提供了一种新的多肽模板。

胰腺癌已成为全球范围内最具挑战性的恶性肿瘤之一,其对药物的高度耐药性是导致化疗失败的主要因素。因此,提高胰腺癌对化疗敏感性成为当前研究的重点,本研究探讨了蟾毒它灵(bufotaline,BT)的抗肿瘤作用,它是一种从中药蟾蜍中提取的蟾蜍甾二烯类化合物,具有显著的抗肿瘤活性。我们重点研究蟾毒它灵在增强胰腺癌细胞对阿霉素(adriamycin,ADR)化疗敏感性方面的潜力,并阐明了其潜在的分子机制。通过 CCK-8 及集落形成实验证明, 蟾毒它灵抑制化疗药阿霉素诱导的胰腺癌细胞 Patu-8988T、Aspc-1 和 Patu-8988S 的存活。并且发现使用蟾毒它灵处理阿霉素胰腺癌耐药细胞可以将 IC₅₀ 降低到正常胰腺癌细胞水平。采用蛋白质免疫印迹技术、免疫荧光、彗星实验和 TUNEL 检测DNA 损伤程度,结果显示, 蟾毒它灵促进阿霉素诱导的胰腺癌细胞 DNA 损伤。此外,利用 RNA-seq 分析胰腺癌细胞 Patu-8988T 在阿霉素单独处理及阿霉素与蟾毒它灵联合处理后的基因表达变化,并通过 qRT-PCR 检测发现, 蟾毒它灵可以下调 DNA 损伤修复蛋白质 NBS1 和 RAD50 的基因表达。同时利用蛋白质免疫印迹检测进一步研究发现,蟾毒它灵抑制 DNA 损伤应答通路相关修复蛋白质的表达,并且通过免疫荧光实验发现,蟾毒它灵也能阻断 ATM/CHK2 信号通路的激活。最后,利用裸鼠皮下移植瘤模型发现,蟾毒它灵与阿霉素联合治疗可抑制胰腺癌生长。综上所述,蟾毒它灵促进了阿霉素诱导的胰腺癌细胞化疗敏感性;阿霉素联合蟾毒它灵治疗通过下调 NBS1 和 RAD50 的基因表达,降低DNA损伤应答通路的修复蛋白质水平,进而阻断 ATM/CHK2 介导的 DNA 损伤应答(DNA damage repair,DDR)信号通路,延缓 DNA 损伤修复。

CRM197 (cross-reacting material 197)是白喉毒素的天然突变体,它的酶活性丧失但受体结合能力及免疫原性却完全保留,这一特性使其成为安全且高效的疫苗载体,被广泛应用于偶联或结合疫苗的开发。本研究利用基因工程技术分别制备白喉毒素突变体CRM197及它与E型肉毒毒素受体结合区(EHc)的2种融合蛋白质分子,对获得的重组蛋白质分子进行SDS-PAGE和免疫印迹鉴定,继而免疫BALB/c小鼠,评价它们作为融合蛋白质亚单位疫苗的免疫效果。结果表明,制备了无毒性的白喉毒素突变体CRM197和CRM197-EHc与EHc-CRM197两种融合蛋白质分子,这两种融合蛋白质分子作为亚单位疫苗诱导免疫小鼠产生了强的抗CRM197和EHc抗原的体液免疫反应;与CRM197与EHc联合组相比,CRM197-EHc与EHc-CRM197融合蛋白质疫苗组能够诱导更高的抗CRM197抗体效应(P＜0.01),EHc-CRM197融合蛋白质低剂量的疫苗组也能够诱导更高的抗EHc抗体效应(P＜0.05)。因此,EHc在融合蛋白质疫苗中发挥了载体分子效应,增强了CRM197的免疫原性;CRM197在EHc-CRM197融合蛋白质分子疫苗中作为载体分子增强了EHc的免疫原性,作为融合亚单位疫苗诱导产生了最高的抗CRM197和EHc抗原的体液免疫反应,是个高效的二价疫苗分子。

本文以感染人体不同部位的细菌ADP-核糖基化外毒素为切入点,通过考察霍乱弧菌 (Vibrio cholerae) 与其他侵染机制类似的细菌表达的AB₅型细菌毒素 (AB₅-type bacterial toxin) 的分子演化,解读V. cholerae、霍乱毒素 (cholera toxin, CT) 与宿主的协同演化历程,揭示其经皮免疫功能的成因。在文中,我们阐述了神经节苷脂介导的内吞和环磷酸腺苷(cAMP)通路亢进等CT的胞内毒性机制,以及与之相关的噬菌体在这些细菌基因组中的行为痕迹,总结了毒素A/B亚基的相对独立演化、经皮免疫与黏膜免疫的演化耦合等模型。同时,我们描绘了以弧菌噬菌体CTXΦ为代表的噬菌体介导基因水平转移、毒素靶向性变异及其分子识别域扩展、毒素功能适应性进化等机制。本文在研究中采用生物信息学工具构建演化树,分析毒素A/B亚基、分泌系统蛋白质的氨基酸序列遗传变异,并通过Tajima检验量化遗传距离、多样性和中性选择压力。关键发现包括:CT的A和B亚基存在“分合演化”模式,B亚基受更强的负选择压力;噬菌体CTXΦ等介导的基因水平转移驱动毒素基因跨物种传播;毒力共调节菌毛 (toxin co-regulated pilus, TCP)与Toll样受体5 (Toll-like receptor 5, TLR-5)的相互作用促进了CT B亚基的经皮免疫原性。结论强调了CT演化中的“毒素-宿主军备竞赛”协同演化和免疫记忆跨代遗传假说,为进一步研究AB₅型细菌毒素的生物学机制和协同演化历程提供理论支撑。

肉毒杆菌神经毒素(botulinum neurotoxin, BoNT)在头颈部美容手术中的应用已广为人知。然而,近年来其治疗范围已显著扩展至该解剖区域的功能性和病理性疾病。本文综述了BoNT作为多种头颈部疾病的重要治疗手段,涵盖运动障碍性疾病(如喉部、颅颈、中耳内、口颌及颈部肌张力障碍)、周围神经功能异常(多系统萎缩、偏头痛、面神经麻痹后联带运动及痉挛)以及上消化道功能紊乱(如喉切除术后并发症、环咽肌吞咽困难、咽食管憩室、逆行性环咽功能障碍)自主神经功能障碍(流涎症及味觉出汗综合征)等诸多领域。BoNT通过其高度特异性的神经调节作用,为传统药物或手术难以处理的疾病提供了可逆、微创且效价显著的治疗选择。本文系统回顾BoNT在上述疾病中的作用机制、注射策略、临床疗效及安全性,并探讨其应用前景,旨在为耳鼻喉头颈外科医师提供全面的临床实践参考。

毒素-抗毒素(toxin-antitoxin, TA)系统作为细菌适应性调控的核心枢纽,在结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis, M.tb)和百日咳鲍特菌(Bordetella pertussis, B. pertussis)的致病机制中发挥关键作用。本文综述了结核分枝杆菌与百日咳鲍特菌中毒素-抗毒素系统的功能演化规律及其治疗潜力。文章系统梳理了两类病原体中TA系统的分子机制与致病功能。结核分枝杆菌依赖Ⅱ型TA系统(例如VapBC、MazEF),通过毒素的RNA酶活性切割宿主核酸或DarT/DarG介导的DNA修饰,驱动持留菌形成与抗生素耐受;而百日咳鲍特菌则利用独特的温度感应型PhtA/PhtB系统释放腺苷酸环化酶毒素,靶向宿主cAMP信号通路以实现免疫逃逸。两类病原体均通过TA毒素抑制宿主防御(例如VapC切割tRNA、RelE降解NF-κB组分),其高频突变位点(例如结核菌VapC47-Ser46Leu突变频率>50 000)揭示强烈的正向选择压力,与持留表型及毒力进化密切相关。本文进一步探讨了靶向毒素-抗毒素相互作用的小分子抑制剂、TA缺失减毒株疫苗及基于抗毒素的免疫策略等治疗方向。最后,文章指出未来应着力解析TA-宿主相互作用网络、发展纳米递送技术,以推动结核病和百日咳精准治疗的突破。

二型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是一种以胰岛β细胞损伤、胰岛素抵抗为主要特征的慢性代谢性疾病。除血糖稳态受损外,糖代谢紊乱所产生的葡萄糖毒性还会引起糖尿病肾病、糖尿病性冠心病以及糖尿病认知功能障碍等并发症,对患者的生命健康造成严重威胁,因此,增强糖代谢改善胰岛素抵抗是防治T2DM的重要手段。当前,T2DM的防治手段以口服类降糖药和外源性胰岛素注射治疗为主,但在治疗过程中存在着诊断指标不清晰、治疗效果不显著和药物副作用等诸多问题,因此,探寻更加精准高效的治疗方案是当前临床研究中的重中之重。MicroRNA(miRNA)是一种对基因转录过程有调控作用的短链非编码RNA,且有报道称与T2DM相关的miRNA在血糖受损等病理特征显露前就已发生明显改变,由此可推断miRNA具备成为T2DM诊断指标的潜力,从而解决当前诊断延迟率高、因延误最佳治疗阶段导致病情恶化等问题。此外,miRNA可通过调节糖代谢相关通路表达增强患者体内糖代谢并改善胰岛素抵抗,维持血糖稳态的同时避免了传统疗法引发的如骨密度下降、局部脂肪堆积等副作用,发挥精准高效的防治效果。因此,本文将通过系统阐述miRNA调控糖代谢相关通路的分子机制,为其后续临床研究提供参考依据和理论基础。

O-糖基化(包括黏蛋白型O-糖基化和O-GlcNAc糖基化)作为一种关键的蛋白质翻译后修饰(post-translational modification,PTM),通过在苏氨酸或丝氨酸残基上添加糖链分子,调节蛋白质功能、稳定性和亚细胞定位,参与细胞信号传导、代谢调控和应激反应等生物学过程。DNA损伤是指细胞在内源性(例如代谢产物、复制错误等)或外源性因素(例如射线、化学物质等)作用下,基因组的完整性受到破坏,进而引发癌症、衰老或遗传性疾病。机体针对DNA损伤,进化出DNA损伤应答(DNA damage response,DDR)系统,通过协调复杂的蛋白质网络,用以检测DNA损伤并促进修复。研究表明,O-糖基化修饰可以通过影响DNA损伤修复相关蛋白质的活性、定位和相互作用调控DDR。然而,O-糖基化修饰参与DDR的详细机制有待阐明,为此,本文总结了黏蛋白型O-糖基化、O-GlcNAc糖基化的生物合成过程和DDR级联反应步骤,针对目前肿瘤细胞中O-糖基化与DNA损伤应答的研究现况予以回顾,并基于此提出机制研究新的展望,以期为开发新的肿瘤靶点和肿瘤治疗提供依据。

创面愈合是一个涉及止血、炎症、增殖和组织重塑的动态生理过程。难愈性皮肤损伤,例如糖尿病足溃疡、静脉溃疡和压疮,给患者带来严重的生理和心理负担,而传统治疗手段难以根本性解决此类问题。近年来,中草药来源的细胞外囊泡(Chinese herbal medicine-derived extracellular vesicles,CHMEVs)因其出色的生物相容性、低免疫原性和高安全性,在创面修复和药物递送领域展现出良好潜力。CHMEVs作为纳米级尺寸的生物囊泡,富含中草药小分子化合物、蛋白质及代谢物,能够跨越生物屏障并有效调控细胞间通讯,促进组织修复。本文综述了CHMEVs的分离提取方法及在创面修复中的作用及机制,并探讨了其在临床应用中的前景及挑战。CHMEVs的工程化改造和生物材料结合进一步拓展了其在精准医疗中的应用潜力,为未来难愈性创面的治疗提供了新思路。

乳酰化修饰是新近发现的一种新型蛋白质翻译后修饰,其通过酰胺键介导乳酸基团与赖氨酸残基共价结合,从而改变蛋白质的功能和细胞内的信号传导过程。乳酰化修饰包括组蛋白乳酰化修饰和非组蛋白乳酰化修饰两大类,都受到“Writer-Eraser”酶系统的动态精密调控。其中,非组蛋白的乳酰化修饰主要受到AARS1和SIRT3等酶的调控,并在肿瘤的代谢重编程、ROS应激和信号通路调控方面发挥功能,在多种疾病进展中具有重要作用。特别是在肿瘤中,非组蛋白乳酰化修饰与肿瘤增殖、免疫逃逸和耐药等密切相关。因此,深入探究非组蛋白乳酰化修饰在肿瘤进展中的作用,有望为肿瘤的精准诊治提供新靶点和新策略。值得注意的是,非组蛋白乳酰化修饰中乙酰化修饰的干扰效应不可忽视,乳酰化与乙酰化具有类似的“writer”和“eraser”酶,且存在重叠的修饰位点,这提示两者之间可能存在功能性串扰。由于目前缺乏针对赖氨酸乳酰化修饰的特异性编辑工具,因此,难以明确乳酰化是否发挥主要的调节作用。本文就近年来非组蛋白乳酰化修饰在肿瘤中的研究进展作一综述。

肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)是原发性癌症的主要形式,与CD8^＋ T细胞免疫浸润及免疫抑制密切相关。本研究旨在构建HCC患者CD8^＋T细胞相关预后风险模型,并将其用于治疗指导。通过整合整体和单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据,我们鉴定出稳定的CD8^＋ T细胞特征基因。这些特征基因构建出三基因风险评分模型(KLRB1、RGS2和TNFRSF1B),并且该模型的预后能力在外部独立队列中得到验证。将患者分为高风险组和低风险组,发现两组免疫微环境存在显著差异:高风险患者M2巨噬细胞丰度增加(P<0.0001),而低风险患者表现出升高的CD8^＋ T细胞浸润(P<0.001)。高风险组对免疫治疗的预测反应较差(P<0.01)。药物敏感性分析表明,高风险患者可能受益于PI3Kβ抑制剂AZD6482和TGFβR抑制剂SB505124等药物。相反,低风险患者的治疗选择包括IGF-1R抑制剂BMS-754807及新的基于嘧啶的抗肿瘤代谢药物吉西他滨。免疫组织化学证实了模型基因在HCC肿瘤和邻近组织中的差异表达。总之,我们建立并验证了CD8^＋ T细胞相关的风险模型,有效预测HCC患者预后并为个性化治疗策略提供信息。

双硫死亡状态与肿瘤患者炎症反应、免疫抑制和药物敏感性相关。然而,其在结直肠癌诊疗中的价值尚不清楚。基于此,研究使用单细胞测序数据和细胞特异性标记基因分析双硫死亡与不同结直肠癌细胞类型的相关性,发现结直肠癌高双硫死亡区域集中于上皮类细胞中。结合程序性细胞死亡蛋白1抑制剂治疗结直肠癌患者的肿瘤组织差异基因表达数据,建立双硫死亡相关预后模型分析发现,高双硫死亡水平结直肠癌患者风险较低,免疫治疗敏感性高。结合空间转录物组学分析发现,双硫死亡相关基因泛醇细胞色素C还原酶核心蛋白Ⅰ(ubiquinol-cytochrome c reductase core protein 1, UQCRC1)是潜在的结直肠癌诊疗靶点,其表达在上皮类结直肠癌细胞中较高,与结直肠癌免疫浸润区域存在共定位。进一步的生信分析和实验检测显示,UQCRC1在结直肠癌组织中低表达,过表达UQCRC1可抑制结直肠癌细胞的增殖和迁移,是潜在的结直肠癌诊疗靶点。

人类非组蛋白赖氨酸巴豆酰化位点在生物学活动中发挥至关重要的作用。然而传统湿实验耗时耗力,使得计算预测方法在近年来备受欢迎。尽管赖氨酸巴豆酰化位点具有重要的生物学意义,但针对人类非组蛋白的相关研究较少。本文构建了一个残差金字塔网络(residual neural network, RsFPN),开发名为iHNHC-RsFPN的集成深度学习预测器。首先,采用3种特征提取方法从样本中提取特征;其次,针对不同特征类型分别构建基于RsFPN训练的弱分类器;最后,整合3个弱分类器构建最终的强分类器。独立测试集结果显示,iHNHC-RsFPN的灵敏性(Sn=0.8580)、特异性(Sp=0.7463)、准确性(Acc=0.7798)和马修斯相关系数(MCC=0.5586)等4个指标均表现优异。研究结果表明,与现有的预测器相比,iHNHC-RsFPN在人类非组蛋白巴豆酰化位点的预测精度上有了显著改进。此外,本文还创建了一个用户友好的网络服务器(http://www.lzzzlab.top/ihnc/),它无需复杂的公式计算,可直接为相关专家学者提供预测服务,助力其进一步研究。

无缝克隆技术作为一种革命性的和高效的分子生物学工具,已经应用到了基础生物学、生物技术和生物医药等多个研究领域。本文介绍一项适合本科生《分子生物学实验》课程的教学改革项目,即利用无缝克隆技术构建碱性磷酸酶突变体基因的原核表达载体,并将其引入国家级一流本科课程《分子生物学实验》中。通过具体的教学案例,本文对实验项目的设计与实施进行了系统化探索,并着重分析了该教学内容的重点和难点。本文的教学实践发现,该教改项目的实施在提升学生的生物学核心素养、生物信息学技能、科研思维和创新能力方面取得了非常好的教学效果;同时该技术的应用能够显著提升实验教学的质量,为推进国家级一流实验课程的改革创新提供了新的思路与实践参考。