多组学分析阐明大虎头蜂毒液成分

《Ecology and Evolution》：Multi-Omics Analyses Elucidate the Venom Components of the Wasp Vespa mandarinia

　　

中国云南省广泛养殖大虎头蜂。该物种具有显著毒性、体型大以及侵袭性强等特征。其毒液毒力极强且产量高，从而导致明显的攻击行为。为阐明V. mandarinia毒液的组成，本研究开展了蛋白质组学（proteomics）、肽组学（peptidomics）和代谢组学（metabolomics）分析。蛋白质组学分析鉴定出2189种蛋白，其中842种为蛋白酶（proteases），20种为与毒液相关的蛋白酶。共鉴定出1294种非酶蛋白，其中2种为毒性蛋白。此外，还检测到透明质酸酶（hyaluronidase）、毒液二肽基肽酶4（venom dipeptidyl peptidase 4, DPP4）和磷脂酶A1（phospholipase A1, PLA1）。肽组学分析检测到1263条肽，其中70条为蛋白水解肽，包括1种磷脂酶A2（phospholipase A2, PLA2）同工酶。在223条非酶肽中，有2条分别被鉴定为胡蜂趋化肽（vespid chemotactic peptide）和类肥大细胞脱颗粒肽（mastoparan-like peptide）。代谢组学分析在正离子模式下暂定注释918种化合物，在负离子模式下注释499种化合物。毒液代谢物中最丰富的超类（superclasses）为有机杂环化合物（organic heterocyclic compounds）、有机酸（organic acids）及其衍生物。此外，还鉴定到γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）、N-乙酰组胺（N-acetylhistamine）、色胺（tryptamine）和多巴胺（dopamine）。这些结果揭示了关键毒性成分，包括毒液相关蛋白酶、毒性肽以及生物活性代谢物，并构成了理解V. mandarinia毒性及其生物学功能的综合分子基础。

该论文发表于《Ecology and Evolution》，围绕大虎头蜂V. mandarinia毒液的分子组成开展了系统解析。研究背景在于，V. mandarinia属于膜翅目（Hymenoptera）胡蜂科（Vespidae）真社会性昆虫，是亚洲分布的重要胡蜂类群之一，也是在多地具有扩散风险的入侵性物种。该物种体型大、毒液产量高、攻击性强，重复蜇刺可导致严重疼痛、过敏反应，重者甚至死亡，因此具有突出的医学与生态学意义。云南地区对V. mandarinia存在较大规模养殖，既用于蛹的食用与出售，也涉及毒液采集及药酒利用。随着其在云南周边地区的传播扩散，理解其毒液成分、毒性物质基础及可能关联的生物学功能，成为评估其危害性与认识其攻击行为的重要前提。既往关于社会性胡蜂毒液的研究已显示，其中含有肽类毒素、过敏原、胺类及多种生物活性成分，但针对V. mandarinia毒液的系统性、全景式分子解析仍相对不足。因此，研究人员开展本研究，意在通过多组学（multi-omics）手段全面解析其毒液组成，为理解其高毒性和显著攻击性提供分子层面的证据。

研究人员以雌性V. mandarinia毒囊相关样本为材料，综合应用蛋白质组学、肽组学与代谢组学，对毒液中的蛋白、肽及小分子代谢物进行了联合鉴定与功能注释。研究结果显示，V. mandarinia毒液含有大量与毒性、致敏性和炎症相关的酶类、非酶蛋白、活性肽以及生物胺和其他代谢物，尤其包括磷脂酶A1（PLA1）、透明质酸酶、毒液二肽基肽酶4（DPP4）、磷脂酶A2（PLA2）同工酶、胡蜂趋化肽、类肥大细胞脱颗粒肽，以及γ-氨基丁酸（GABA）、N-乙酰组胺、色胺和多巴胺等。论文据此认为，这些成分共同构成了V. mandarinia毒液毒性和生物学效应的关键分子基础。该研究的重要意义在于，首次以较系统的多组学框架勾勒了该物种毒液成分图谱，为后续开展关键毒素的功能验证、致毒机制研究，以及对其医学风险和生态影响的评估提供了基础数据支撑。

在技术方法方面，研究人员主要采用三类关键策略：其一，蛋白质组学分析中以毒囊样本进行蛋白提取，经十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS–PAGE）分离、胰蛋白酶消化后，结合高效液相色谱（HPLC）与TripleTOF 5600质谱进行鉴定，并利用Mascot、Percolator及Swiss-Prot、iVenomDB、T3DB等数据库进行注释；其二，肽组学分析采用与蛋白组相似的样本来源，但省略胰蛋白酶消化步骤，经10 kDa过滤与C18固相萃取后，使用Orbitrap原始数据并通过MaxQuant进行识别；其三，代谢组学分析使用LC–MS/MS平台和Q Exactive质谱，借助Compound Discoverer 3.1与BGI Library进行代谢物提取和注释。另对部分毒液相关基因开展系统发育分析。

以下结合论文结果部分各小标题，对研究发现进行概括。

3.1 Proteomic
蛋白质组学结果显示，研究人员共鉴定到62,689个谱图、17,100条肽和2189种蛋白，提示V. mandarinia毒液相关样本具有高度复杂的蛋白组成。蛋白分子量主要分布于10–100 kDa之间，其中20–30 kDa最为丰富，过半蛋白集中于10–60 kDa，说明毒液蛋白具有明显的中低分子量富集特征。基于Swiss-Prot数据库，2136种蛋白获得注释，占97.6%；同时，iVenomDB与T3DB进一步支持了部分毒性相关成分的识别。功能分类结果表明，共有842种蛋白被注释为蛋白酶，其中20种属于毒液相关蛋白酶；另有1294种为非酶蛋白，其中2种被标注为毒性蛋白。根据序列相似性，22种毒性相关蛋白被归为4类，即毒液过敏原、二肽基肽酶、趋化因子和酯酶。其中毒液过敏原占比最高，包括磷脂酶A1、磷脂酶A2、毒液酸性磷酸酶、毒液过敏原5、透明质酸酶、毒液丝氨酸蛋白酶及部分丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）相关蛋白。进一步地，研究明确鉴定到透明质酸酶（Maker000642）、毒液二肽基肽酶4（Maker002446）和磷脂酶A1（Maker005828），这些都是胡蜂毒液中具有重要致敏性或毒性意义的经典成分。系统发育分析表明，透明质酸酶、DPP4、PLA1和毒液丝氨酸蛋白酶前体等基因在胡蜂科内分别聚类，说明这些毒液基因的分化总体与物种分化相一致。功能富集结果方面，GO生物过程（GO-BP）提示相关蛋白主要涉及“中性粒细胞脱颗粒”“翻译起始”“翻译”等过程，且存在“NIK/NF-kappaB signaling”“Fc–epsilon receptor signaling pathway”等可能与炎症反应相关的通路。KEGG富集结果则显示，“signal transduction”为主要富集类别，而“proteasome”通路中的富集蛋白被认为可能与V. mandarinia毒性有关。整体而言，蛋白质组学结果从酶类毒素、过敏原及炎症相关分子多个层面揭示了其毒液的复杂性。

3.2 Peptidome
肽组学分析进一步补充了毒液中小分子肽的组成信息。基于Swiss-Prot注释，检测到的肽段可映射至293个基因，其中70条为蛋白酶相关肽，并包括1条被鉴定为磷脂酶A2同工酶（Maker008236）的肽段。在223条非酶肽中，研究人员识别出胡蜂趋化肽（Maker004030）和类肥大细胞脱颗粒肽（Maker007383）。这两类肽具有较强的生物活性，通常与炎症诱导、细胞膜作用或疼痛相关反应密切相关，因此其检出对于解释V. mandarinia蜇伤后的局部和系统反应具有重要价值。根据iVenomDB注释，研究人员共识别到7条肽，包括4条与硫氧还蛋白（thioredoxin）相关的肽、1条丝氨酸蛋白酶同源物、1条类肥大细胞脱颗粒肽以及1条酸性PLA2相关同工型肽。T3DB注释共识别到90条肽，其中还包括凝血因子VII（Maker011279）和MAPK14（Maker008688）相关条目。富集分析显示，264个基因被富集到GO-BP条目，部分条目如“中性粒细胞脱颗粒”“cellular response to interleukin-7”“NIK/NF-kappaB signaling”等仍提示其与炎症调控有关。KEGG分析显示，99条肽被富集，主要涉及“transport and catabolism”“translation”等通路，同时也富集于“proteasome”通路。由此可见，肽组学结果不仅验证了蛋白质组所揭示的部分毒液核心分子，也提示毒液中存在一组可能直接介导致痛、趋化和细胞损伤的活性肽。

3.3 Metabolome
代谢组学结果从小分子化学成分层面补足了毒液成分谱。Compound Discoverer 3.1分析显示，正离子模式下检测到2314个离子特征，并暂定鉴定918种化合物；负离子模式下检测到1073个离子特征，并鉴定499种化合物。正离子模式下，化合物被划分为18个超类，其中最丰富的是有机杂环化合物，而该超类中又以吲哚类（indoles）及其衍生物最为常见；此外，还检测到多巴胺、乙酰胆碱（acetylcholine）和5-羟色胺，即血清素（serotonin）。负离子模式下，化合物被划分为14类，其中有机酸及其衍生物最为丰富，主要由羧酸及其衍生物构成。研究还在负离子模式中鉴定到若干与毒性相关的小分子，包括γ-氨基丁酸（GABA）、N-乙酰组胺、色胺和多巴胺。由于胡蜂和其他有毒动物的毒液中常含有生物胺与神经活性小分子，这些代谢物可能参与疼痛、炎症、神经调制及组织反应。因而，代谢组学结果表明，V. mandarinia毒液不仅是蛋白和肽的复合体系，也包含丰富的小分子活性物质，共同决定其生物活性表现。

讨论部分强调，膜翅目昆虫中的胡蜂类因毒液致死性高而具有突出的医学重要性，毒液本质上是由酶、肽、过敏原、氨基酸、胺类及其他生物活性成分构成的复杂混合物。论文将V. mandarinia的结果放置于胡蜂毒液研究的大背景下进行解释，指出PLA1、透明质酸酶、DPPIV和类肥大细胞脱颗粒肽已被实验证实为Vespa属的重要过敏原；而PLA2、C型凝集素（C-type lectins）和透明质酸酶等也在其他有毒动物毒液中被证明具有细胞毒性、溶血性或神经毒性意义。结合本研究的结果，研究人员认为，V. mandarinia毒液中的PLA1、毒液二肽基肽酶4、毒液丝氨酸蛋白酶前体、透明质酸酶以及多种生物胺和小分子代谢物，可能共同构成其强毒性和攻击性的重要分子基础。其中，透明质酸酶作为“扩散因子”可促进其他毒素在组织中的扩散；PLA1在近缘胡蜂中已被证明是主要致死因子和关键致敏成分；DPPIV则可能与毒性肽成熟及疼痛诱导有关。论文同时指出，本研究也存在局限性：由于采用毒囊样本，不可避免会混入邻近组织成分，从而引入部分组织来源蛋白；此外，公共数据库未收录或功能未知的蛋白难以仅凭序列相似性完成识别。因此，后续仍需针对最具生物学意义的毒液成分开展分离鉴定和功能验证。

结论部分可译为：这些发现提供了V. mandarinia毒液的综合性多组学数据集，阐明了其毒性及生物学功能的分子基础。后续研究将优先针对关键毒性成分开展功能验证，以进一步解析毒液介导效应。总体而言，该论文通过蛋白质组学、肽组学和代谢组学的联合策略，较为全面地描绘了大虎头蜂毒液的分子图谱，明确了多类已知或潜在毒性成分，为理解其高毒性、致敏性、炎症诱导能力及生态适应特征提供了可靠依据。