淺談蛇類毒素研究

蔡添順

國立屏東科技大學生物科技系

依據世界衛生組織(WHO)報告，蛇類毒素造成的傷害是一種被忽視的熱帶疾病，每年影響約270萬人，並導致81,000-138,000人死亡(World Health Organization 2019)，而其管理會因蛇毒的多樣性而複雜化。研究蛇類毒素可用以探討諸多重要主題，例如生物多樣性、天敵獵物交互作用、種內/種間變異與親緣演化、生態功能與趨同適應、毒理學、生物醫學與新藥研發。關於蛇類毒素研究簡介如下：

來自食物本身之毒素

許多有毒動物，例如許多昆蟲、海蛞蝓、箭毒蛙等，其毒性是來自於食物(大多為無脊椎動物)的毒素；目前為止只有兩類動物的毒性來自脊椎動物食物，包括攝食毒蠑螈的特定北美帶蛇(Thamnophis sirtalis)族群，以及一些攝食毒蟾蜍或螢火蟲幼蟲的亞洲頸槽蛇(Rhabdophis)屬蛇類。大多數頸槽蛇類在身體背部皮膚有特殊腺體，包含體背腺(nucho-dorsal glands)或頸背腺(nuchal glands)為成對且呈縱列的腺體群。此類蛇在遭遇捕食者時，可能會弓起頸背並使身體背部腺體面向捕食者。頸腺的分泌物成份來自其食物的皮膚毒腺內容物，會刺激捕食者的黏膜組織，且含有蟾蜍二烯內酯(bufadienolides)，為強效的強心類固醇(cardiotonic steroids)，可作為禦敵的化學物質。蟾蜍二烯內酯目前只被發現存在於蟾蜍科(Bufonidae)和某些螢火蟲科(Lampyrinae)體內，這些物種已知或被認為能合成這些毒素(Yoshida et al., 2020)。在臺灣，斯文豪氏遊蛇(R. swinhonis)及臺灣赤煉蛇(R. formosanus)為頸槽蛇屬蛇類，其頸背腺或體背腺的形態、腺體分泌物的毒素成分及毒理、以及對於人類(眼睛)接觸其分泌物的臨床症狀及治療法，均有待後續進一步研究探討。

來自鄰近毒牙的毒腺之蛇毒基因起源與成份

與前述的毒素來源不同，多數的毒蛇毒素是由鄰近上顎毒牙的毒腺之蛇毒基因進行轉錄及轉譯作用而表達生成。蛇毒毒液儲存耗盡後，毒液重新合成會迅速地發生，以確保毒蛇能儘量保持有效捕食能力並可抵禦捕食者的攻擊。蛇毒毒素基因源自於具有正常生理功能的蛋白質基因，經由多重的基因複製作用而產生冗餘拷貝，這些基因拷貝可在毒腺中選擇性被表達，通過正向選汰和分子適應的加速變化可產生新功能，而這些作用主要是由生態棲位、食性、捕食-被捕食者的軍備競賽變化所驅動的；此外，藉由基因替代剪接、點突變及其他機制亦能夠產生新毒素基因。蛇毒的基因表現、組成、出毒量或毒性可能隨親緣、食性、地理、性別、年齡、個體而異。蛇毒成份複雜，主要由一些蛋白質家族所構成，包括酵素(絲氨酸蛋白酶serine protease、金屬蛋白酶 Zn²⁺-metalloprotease、氨基酸氧化酶L-amino acid oxidase、磷脂酶phospholipase A₂)、非酵素的蛋白質(去整合素disintegrin、類凝集素snaclec、肌肉毒素myotoxin、富含半胱氨酸的分泌蛋白CRISP、神經和血管內皮生長因子NGF/EGF)、及許多其他生物活性物質。

蛇類毒素研究主題與方法

蛇毒研究可從毒理學(toxicology)、基因體學(genomics)、轉錄體學(transcriptomics)、蛋白質體學(proteomics；包含蛇毒蛋白質體學venomics及抗血清蛋白質體學antivenomics)、以及醣類體學(glycomics)等層面來進行。失去正常生理功能的蛇毒蛋白同源物可能獲得其他功能，例如對抗蛋白酶或調節蛇毒功能。跨生物類群的多基因家族之旁系同源基因(paralogs)，伴隨著毒素同功型的出現，能導致毒液蛋白的各種功能變化，這對醫學管理和毒素學研究產生了重大影響並提供了多樣化的生態演化研究素材。分析多樣化蛇毒基因序列與轉錄或轉譯分子序列能有助於瞭解其結構及功能以及與生態演化之關係，並有助於蛇毒抗血清或治療診斷技術的發展。基因體學分析、轉錄體學分析、蛋白質體學分析相輔相成，可用以互相驗證與解釋，才能進一步探究蛇毒。蛇毒蛋白質體學的研究發展迅速，包含bottom-up、shotgun、top-down三類型的實驗分析方式(Slagboom et al. 2022)，目前全世界研究的多數類型為bottom-up方式。其實驗流程可包含通過高效液相層析(HPLC)或電泳技術分離毒液成分，然後進行胰蛋白酶消化和串聯質譜(MS/MS)，並以分析軟體進行蛋白質序列資料庫比對分析等標準化研究方法。近年來，通過使用先進的體學方法，在了解毒蛇複雜性方面取得了重大進展與貢獻，包括確定毒液成分、辨別毒液成分的演化變化、有助於開發獨特研究工具的新型毒素和/或治療劑、並將特定的病理症狀與個別毒素相關聯。

臺灣蝮蛇毒素研究與應用

現今世界的許多生物面臨氣候變遷、大氣污染物移動、人為開發等威脅，而許多毒蛇種類具有高度的地理親緣多樣性及保育迫切性，與其相關的研究是刻不容緩的。臺灣境內三分之二區域由山區森林覆蓋，包含了重要的山地雲霧森林帶，為臺灣頗富代表之地理區域。山地區域常分布重要的自然保護區域，存在多樣化且特殊的生態棲地可供許多特色蛇類棲息而具有極高的保育價值與需求。臺灣產的蝮蛇種類包含赤尾鮐(Trimeresurus stejnegeri)、龜殼花(Protobothrops mucrosquamatus)、百步蛇(Deinagkinstrodon acutus)、鎖鏈蛇(Daboia siamensis)、菊池氏龜殼花(Trimeresurus gracilis)及瑪家山龜殼花(Ovophis makazayazaya)；後面四個物種目前均屬於臺灣的保育類蛇種，而其蛇毒特性仍有待初步或持續探究(圖一)。而進行蛇毒的地理差異與多樣性比較也是相關研究領域、臨床蛇毒治療、毒理學探討、及保育管理之重要參考資料。瞭解蛇毒成分與活性也將有助於相關的抗血清醫療實務。蛇毒基因體學、轉錄體學、蛋白質體學以及蛇毒毒性、多樣性的深入研究，亦能對國家生物多樣性研究與保育管理、有毒生物臨床治療的研究、以及國家科研發展有所貢獻。

參考文獻

Slagboom, J., C. Kaal, A. Arrahman, F. J. Vonk, G. W. Somsen, J. J. Calvete, W. Wüster, and J. Kool. 2022. Analytical strategies in venomics. Microchemical Journal 175:107187.
Tse, T.-C., I.-H. Tsai, Y.-Y. Chan, and T.-S. Tsai. 2023. Venom proteomics of Trimeresurus gracilis, a Taiwan-endemic pitviper, and comparison of its venom proteome and VEGF and CRISP sequences with those of the most related species. Toxins 15:408.
World Health Organization. 2019. Snakebite Envenoming: A Strategy for Prevention and Control. Available at: https://www.who.int/publications/i/item/9789241515641. Accessed July 15, 2024.
Yoshida, T., R. Ujiie, A.H. Savitzky, T. Jono, T. Inoue, N. Yoshinaga, S. Aburaya, W. Aoki, H. Takeuchi, L. Ding, Q. Chen, C. Cao, T.S. Tsai, A. Silva, D. Mahaulpatha, T.T. Nguyen, Y. Tang, N. Mori, A. Mori. 2020. Dramatic dietary shift maintains sequestered toxins in chemically defended snakes. Proc Natl Acad Sci USA 117:5964–5969.

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