Science：迄今为止发现的最大蛋白质会产生藻类毒素

加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的科学家们在试图解开海藻如何产生化学复杂毒素的过程中，发现了迄今为止在生物学中发现的最大蛋白质。这揭示了藻类进化出的制造复杂毒素的生物机制，也揭示了以前未知的化学物质组装策略，可能开启新药物和新材料的开发。

研究人员在研究一种名为Prymnesium parvum的藻类如何产生毒素时发现了这种蛋白质，他们将其命名为PKZILLA-1，这种毒素是导致大量鱼类死亡的原因。

“这是蛋白质界的珠穆朗玛峰，这扩大了我们对生物学能力的认识。”文章通讯作者Bradley Moore说。

PKZILLA-1比之前的记录保持者titin大25%，titin存在于人体肌肉中，长度可达1微米(0.0001厘米或0.00004英寸)。

这项研究发表在今天的《科学》杂志上，研究表明，这种巨大的蛋白质和另一种超大尺寸但没有破纪录的蛋白质PKZILLA-2是产生prymnesin的关键——prymnesin是一种大而复杂的分子，是藻类的毒素。除了确定prymnesin背后的大量蛋白质外，该研究还发现了异常大的基因，这些基因为小Prymnesium提供了制造蛋白质的蓝图。

通过促进寻找基因而不是毒素本身的水测试，发现prymnesin毒素产生的基因可以改善对该物种有害藻华的监测工作。

“监测基因而不是毒素可以让我们在它们开始之前就发现它们，而不是只有在毒素循环时才能识别它们，”Timothy Fallon说。

发现PKZILLA-1和PKZILLA-2蛋白也揭示了藻类制造毒素的精细细胞装配线，毒素具有独特而复杂的化学结构。对这些毒素如何产生的进一步了解可能会对科学家合成用于医疗或工业用途的新化合物有用。

Moore说:“了解大自然是如何进化出它的化学魔法的，使我们作为科学实践者有能力将这些见解应用到创造有用的产品上，无论是一种新的抗癌药物还是一种新的织物。”

金藻，俗称金藻，是一种水生单细胞生物，在世界各地的淡水和咸水中都有发现。金藻的大量繁殖与鱼类死亡有关，因为它的毒素prymnesin会损害鱼类和其他水呼吸动物的鳃。2022年，与波兰和德国接壤的奥得河爆发了一场金色藻类爆发，导致500- 1000吨鱼死亡。这种微生物会对从德克萨斯州到斯堪的纳维亚半岛的水产养殖系统造成严重破坏。

Prymnesin属于一种叫做聚酮聚醚的毒素，其中包括brevetoxin B(一种经常影响佛罗里达州的主要红潮毒素)和雪卡毒素(一种污染南太平洋和加勒比海珊瑚礁鱼类的毒素)。这些毒素是所有生物学中最大、最复杂的化学物质之一，研究人员几十年来一直在努力弄清楚微生物是如何产生如此庞大、复杂的分子的。

从2019年开始，Moore、Fallon和这篇论文的第一作者之一、斯克里普斯摩尔实验室的博士后研究员Vikram Shende开始试图弄清楚金藻是如何在生化和遗传水平上制造毒素prymnesin的。

该研究的作者首先对金藻的基因组进行测序，寻找与产生赖氨酸有关的基因。传统的基因组搜索方法没有结果，因此研究小组转向了更擅长寻找超长基因的基因探测替代方法。

Shende说:“我们能够找到这些基因，结果证明，这种藻类利用巨大的基因来制造巨大的有毒分子。”

定位了PKZILLA-1和PKZILLA-2基因后，研究小组需要研究这些基因与毒素产生的联系。Fallon说，研究小组能够像读取乐谱一样读取基因的编码区域，并将其翻译成形成蛋白质的氨基酸序列。

当研究人员完成PKZILLA蛋白的组装时，他们对它们的大小感到惊讶。PKZILLA-1蛋白的质量达到了创纪录的4.7兆道尔顿，而PKZILLA-2也非常大，达到了3.2兆道尔顿。之前的纪录保持者Titin的重量可以达到3.7兆道尔顿，大约是普通蛋白质的90倍。

在进一步的测试表明金藻实际上在生命中产生这些巨大的蛋白质后，研究小组试图找出这些蛋白质是否参与了毒素prymnesin的产生。从技术上讲，PKZILLA蛋白是酶，这意味着它们会启动化学反应，研究小组用笔和笔记本记录了这两种酶所涉及的239个化学反应的漫长序列。

“最终的结果与prymnesin的结构完美匹配，”Shende说。

Moore说，根据金藻制造毒素的一连串反应，揭示了自然界中以前未知的制造化学物质的策略。他补充说:“希望我们可以利用大自然如何制造这些复杂化学物质的知识，在实验室中为未来的药物和材料开辟新的化学可能性。”

找到prymnesin毒素背后的基因可以更经济有效地监测金藻繁殖。这种监测可以使用测试来检测环境中的PKZILLA基因，类似于在COVID-19大流行期间熟悉的PCR测试。改善监测可以加强准备，并允许更详细地研究使水华更有可能发生的条件。

Fallon说，研究小组发现的PKZILLA基因是第一个与聚醚类海洋毒素产生有因果关系的基因，聚醚类是prymnesin的一部分。

接下来，研究人员希望将他们用来寻找PKZILLA基因的非标准筛选技术应用于产生聚醚毒素的其他物种。如果他们能找到其他聚醚毒素背后的基因，比如每年可能影响多达50万人的雪卡毒素，这将为一系列其他具有重大全球影响的有毒藻华提供同样的基因监测可能性。