图1. 华大海洋发表全球首个芋螺基因组图谱

       芋螺是一大类能产生和分泌剧毒毒素的掠食性海洋腹足纲软体动物，全球约有700种[2]。

       尽管芋螺毒素的应用前景已得到诸多验证，甚至已有少数相当成熟的医药产品上市。但芋螺基因组的解读工作却因提取和组装困难而迟迟未有突破。

       在本成果发表之前，仅有一些转录组和蛋白组数据发表，尚无任何一种芋螺的全基因组被成功组装和破译。

       本研究以中国南海常见种桶形芋螺（图2a）为代表，对首个芋螺基因组进行了高深度测序，并成功构建了桶形芋螺的基因组图谱。

       桶形芋螺基因组预估3.98 Gb（图2b），最终组装为3.43 Gb，scaffold N50和contig N50值分别为232.61 kb和171.48 kb，基因组GC含量占比43.8%，转座因子占比38.56%，共编码22,698个基因。

       该成果首次在基因组水平鉴定到133个芋螺毒素基因，分属于21个已知的超家族、1个富半胱氨酸家族、1个无半胱氨酸家族和4个新的超家族（图2e）。

       这些毒素基因通常由1至4个长度较短的外显子组成（图2c，2d），每个外显子长度从14 bp到345 bp不等，平均外显子长度为87 bp（图2f）。
 

　　图2. 桶形芋螺基因组及133个芋螺毒素基因的特点总结

       通过整合基因组、转录组和多肽组等多组学数据，研究团队首次揭示了适用于芋螺毒素的主要中心法则，即总基因：转录本：蛋白质：翻译后修饰毒素肽的序列条数比值约为1:1:1:10s。

       以芋螺毒素基因conot103为例，在基因组层面，该基因由3个长度分别为76、82、37 bp的外显子组成。

       在转录组中，找到对应的转录本mRNA全长195 bp，编码总长为64 aa的毒素前体肽（Bt176）。

       在多肽组中，找到了46条对应的多肽序列，并检测到第58和61位脯氨酸（P）的翻译后修饰（图3）。
 

图3. 芋螺毒素表达的中心法则（以毒素基因conot103为例）

       研究发现，芋螺通过多种蛋白质水平加工过程（如不同的切割位点、翻译后修饰和N-/C-末端截断）产生了大量多样性的芋螺毒素肽，进而解释了为什么单个桶形芋螺中仅133个基因和大约123个转录本，却可以产生数千条芋螺毒素肽。

       通过功能预测发现，本研究中许多芋螺毒素与已知的镇痛药ω-MVIIA、抗成瘾药AuIB和杀虫剂ImI具有高度相似的空间结构（图4），从而表明桶形芋螺基因组数据是可用于高通量预测和开发潜在创新药物的宝贵遗传资源。
 

图4. 芋螺毒素肽的三维立体结构预测

       截至目前，华大海洋共发表芋螺毒素有关的SCI 论文8 篇[1,3-9]，出版芋螺专著1部[2]，申请芋螺毒素相关专利18项（已有11个国际PCT专利获得授权[10]）；与解放军军事科学院防化研究院的陈冀胜院士合作共建深圳市院士工作站（近期已通过验收[11]），在我国芋螺毒素研发领域处于领先地位[12]。

       核心成果：

       华大海洋已完成多种芋螺的基因组普查测序及基因组基础信息；

       构建了本地芋螺毒素数据库，包含迄今已经发现的大部分芋螺毒素蛋白序列，有助于更具针对性地鉴定、预测出特殊功能的新型芋螺毒素序列[3]；

       以中国南海优势种桶形芋螺为对象，分别开展了不同大小个体、不同组织（毒液管和毒液泡）、不同均一化处理方法的转录组测序研究，共鉴定到桶形芋螺毒素肽215个[4-6]；

       通过与已知杀虫活性多肽序列进行同源比对分析，筛选并人工合成了潜在具抗虫活性的芋螺毒素肽21个[7]；

       综合体外试验和黄粉虫致死实验，总结强昆虫细胞生长抑制活性和强抗虫活性的芋螺毒素肽，筛选得到具有开发前景的新型杀虫毒素肽共5个[8]。

       参考文献

       [1]Peng C., et al. Cell Discovery, 2021, 7(1): 11.

       [2]石琼、高炳淼、彭超主编，海洋芋螺资源图鉴。中山大学出版社，2018年。

       [3]Gao B., et al. Toxins, 2017, 9(12):397.

       [4]Peng C., et al. GigaScience, 2016, 5:17.

       [5]Huang Y., et al. Marine Drugs, 2017, 15(7):228.

       [6]Yao G., et al. Marine Drugs, 2019, 17(3):193.

       [7]Gao B., et al. Toxins, 2017, 9(7):214.

       [8]Gao B., et al. International Journal of Molecular Sciences, 2018,19(12):3901.

       [9]Gao B., et al. Plos One, 2018, 13(7):e0193053.

       [10]已获得11个国际PCT专利授权，包括5项美国专利（US15539709、US15539720、US15539729、US15539752、US15515696）和6项欧洲专利（EP14908844.5、EP14908845.2、EP14903282.3、EP14903133.8、EP14903256.7、EP14903491.0）。

       [11]华大海洋公众号2021-1-25，华大海洋院士（专家）工作站项目顺利通过验收。

       [12]华大海洋公众号2020-7-29，华大海洋再创佳绩，科技成果荣获登记证书。