金色箭毒蛙，P. terribilis. 图片来源：Image courtesy of Wikimedia Commons/Micha L. Rieser.

今天给大家介绍一位新朋友，来自中南美洲雨林的金色箭毒蛙（Phyllobates terribilis）。

它体长不过7公分，但极擅用毒。当地人如果抓到一只箭毒蛙，就等于掌握了高精尖武器！因为每只蛙都携带着平均1.9毫克的毒素——每1毫克这种毒素，就可毙命20,000只小鼠^[1,5]。当地土著人会把毒素涂在匕首或箭镞上，涂抹一次，效用持久，非常适用于狩猎。

科学家早已研究清楚了这种毒素。它是一种甾族生物碱类神经毒素（BTX，steroidal alkaloid batrachotoxin，请记住BTX这个简写！），可使钠离子通道持续开放。钠离子通道对神经和肌肉间的信号传递很重要，持续开放这个通道，会破坏神经和肌肉的功能。中此毒的人，心肌功能会紊乱，如果不及时医治，就会死于心脏骤停^[4,6]。

绿纹幽灵箭毒蛙（Epipedobates anthonyi）。1974年，美国生化学家约翰·戴利（John Daly）就是在这种蛙的皮肤上发现并提取出了地棘蛙素（epibatidine），一种比吗啡镇痛作用强100-200倍的生物碱。因为毒性太强，人们已经放弃了利用这种生物碱制药的研究。摄影：Rebecca Tarvin，2016年9月，于哥伦比亚Chocó省

你可能已经联想到了其他类似的毒素，比如黑曼巴蛇、海葵、海蜗牛、蝎子等毒液中的BTX。其实论出身，箭毒蛙属于脊索动物门，其他几位分属爬行动物门、刺胞动物门、软体动物门和节肢动物门。分类上它们差得蛮远，但在演化的进程中都找到了猎物的命门：钠/钾离子通道。它们各自的毒素都可结合、阻断或摧毁这些命门。

来源不同，分子结构不同，但同样致命^[4]。那么问题就来了：箭毒蛙的皮肤鲜艳而光滑，当然也是有钠离子通道的，那为什么没把自己给毒死呢？

前不久，纽约州立大学的团队解开了这一谜题。原来，箭毒蛙自己的钠离子通道上发生了一处氨基酸突变，原本的天冬酰胺变成了苏氨酸（AAC→ACC），结果就大大提高了自己对BTX的耐受度^[5]。

金色箭毒蛙(P. terribilis). 图片来源：Image courtesy of Wikimedia Commons/Micha L. Rieser.

其实，早在1980年，科学家就发现箭毒蛙的肌肉细胞对BTX并不敏感^[2]。

即使向箭毒蛙下毒，用超高剂量的 BTX也不能奈它何^[2]！相反，箭毒蛙还会把这些毒素收集起来，储存在后背皮肤的腺体内——这是因为箭毒蛙本身并能不制造毒素，只能做大自然中BTX的搬运工，靠捕食其他能够产生毒素的蚂蚁或昆虫来转化积累BTX，并为己所用^[3]。

这里必须介绍一下箭毒蛙的钠通道。本质上，这些通道跟其他动物的没太大区别，上面都有BTX可以结合的位点。但是，箭毒蛙钠通道上共计有5处氨基酸突变，也就是说，箭毒蛙的命门有5个地方与其他动物不一样^[6]。

会不会就是这些不一样，让箭毒蛙拥有了免受BTX毒害的超能力呢？

一只雄性马查利拉箭毒蛙（Epipedobates machalilla）。这种箭毒蛙的雄性个体会从产卵地把蝌蚪背到小池塘里，让小蝌蚪在那里长大变成小小的剧毒呱儿子们。摄影：Rebecca Tarvin，2017年8月，于厄瓜多尔Cotopaxi省

在演化的过程中，生命通过简单的氨基酸突变，就能获得新的能力。比如，视蛋白是视觉的承担者，研究发现，只要改变特定氨基酸，就能轻易调整视蛋白的吸收光谱，动物也就会获得或丧失相应的辨色力。为什么有的人会因为色盲分不清红与绿？就是因为红色和绿色视色素的吸收峰只有30纳米的差异，由视蛋白上的第180、277和285三个位点上的氨基酸负责。只要这三个位点的氨基酸出问题，人就会色盲^[4]。

再比如，德克萨斯大学奥斯汀分校的Tarvin教授就发现，好几种毒蛙之所以自己没有被毒死，都是因为在一个关键的蛋白质上发生了突变。有意思的是，这种突变在蛙的演化进程中重复出现了三次。三次！每次都出现一种突变类型不同的箭毒蛙^[7]。这说明只毒别人不伤自己的本事，真的很受自然选择的青睐，必须世世代代传承下来。

图中，学名字体加粗的都是箭毒蛙科的呱儿们，其中名字挂彩（青色、紫色、红色）的呱儿们之所以不会被自己毒伤，就是因为比普通蛙多了关键的氨基酸突变。图片来源：参考文献[7].

说回到Wang教授的研究。他们发现，在金色箭毒蛙钠通道上的5处氨基酸突变中，有3处突变也存在于无毒的箭毒蛙身上，因此应该只有剩下的2处是他们研究的目标。这两处氨基酸突变被分别被命名为V1583I与N1584T ^[5]。

小鼠与金色箭毒蛙肌肉细胞的D1/S6与D4/S6区，钠通道标绿。这两个位点上的氨基酸，可能就决定了箭毒蛙对BTX是否耐受。图片来源：参考文献[5]

总共五名竞技选手，一下子淘汰三位。

对Wang和同事们来说说，谜底此时已如低低垂挂的果实，踮踮脚就能够到。但是为了保证实验的严谨，他们还是先用正常的野生型小鼠做了实验。果然，小鼠中毒了——它们钠通道的开放时间从几毫秒一下子延长到了500毫秒。然后，Wang和同事们构建了5AA mutant小鼠（Nav1.4-S429A/I433V/A445D/V1583I/N1584T），也就是和金色箭毒蛙一样5种氨基酸全部突变的小鼠，结果发现，这种小鼠果然拥有了类似于箭毒蛙的毒素防御力。

接下来，进入了“寻找真相”的阶段。Wang和同事们又分别构建了5种单氨基酸突变小鼠，逐一排查，终于发现：只要N1584T这个位点的氨基酸发生突变，闯到钠通道门前的BTX便失了威风，任它们雄兵百万，钠通道大门岿然不动。没了内应，BTX的攻城战没法打，只能对近在咫尺的钠离子通道望而却步。

三色箭毒蛙（Epipedobates tricolor），生活在山区卵石遍布的小溪附近。摄影：Rebecca Tarvin，2017年8月，于厄瓜多尔Cotopaxi省

至此，Wang和同事们为人类又找到了一个说明基因功能演化策略的绝佳例子。我的理解是，箭毒蛙体弱而迷你，在危机四伏的雨林如何自保？只能靠旁门左道：用毒。但如果自己不常备解药，那只会伤敌一千、自损八百。而且，解毒策略不够划算也不好，因为另行安排基因负责合成解毒剂，也是蛮浪费生命能量的。

上上策是吃透毒理，然后在关键点上做文章。也就是说，替换掉一个小小的碱基（AAC→ACC），让外敌没了内应，就足矣。一般来讲，基因突变总会被纠错机制修复，但幸运的是，大自然是倾向于保留有利突变的，因为这会让生命变得更加适应环境。最后，利好归于金色箭毒蛙，它获得一把大杀器：BTX剧毒涂满后背，看谁敢冲我下嘴！

一只正在防御自己领地的雄性幽灵箭毒蛙属毒蛙(Epipedobates bulengeri）。它的英文名字叫做marbled poison frog，直译过来大约叫做大理石纹箭毒蛙。箭毒蛙会保护各自产卵和养育蝌蚪的领地。保卫领地的战斗可以持续几个小时那么久，呱儿爸爸们会消耗大量的能量，还有受伤的风险。摄影：Rebecca Tarvin，2017年8月，于厄瓜多尔Cotopaxi省

最后的最后，想说的是，像箭毒蛙、黑曼巴蛇、海蜗牛、海葵这些生物，个个都是“有机化学大师”，值得人类一直研究学习下去。比如，研究麻醉剂和离子通道的科学家，此前就会抓它们进实验室，为药学事业做贡献。

但好在，美国斯坦福大学的Justin Bois教授去年在实验室合成出了BTX，“那么，就不必从这些小动物身上索取自然的馈赠了”^[3]。

箭毒蛙想必松了口气，“好险，幸亏教授成功了！”（编辑：明天）

参考文献：

1. Daly JW (1995) The chemistry of poisons in amphibian skin. Proc Natl Acad Sci USA 92: 9–13. Excitable Membranes (Sinauer Associates, Sunderland, MA), 3rd Ed, pp 635–662.
2. Daly JW et al., (1980) .Levels of batrachotoxin and lack of sensitivity to its action in poison-dart frogs (Phyllobates). Science.
3. Justin et al.,(2016).Asymmetric synthesis of batrachotoxin: Enantiomeric toxins show functional divergence against NaV, Science.
4. Sean B.Carroll(2012).The making of the fittest: DNA and the ultimate forensic record of evolution.
5. Sho-Ya Wang and Kuo Wang(2017).Single rat muscle Na+ channel mutation confers batrachotoxin autoresistence found in poison-dart frog Phyllobates terribilis. PNAS.
6. Tarvin RD et al.,(2016) .Convergent substitutions in a sodium channel suggest multiple origins of toxin resistance in poison frogs. Mol Biol Evol.
7. Tarvin RD et al.,(2017).Interacting amino acid replacements allow poison frogs to evolve epibatidine resistance. Science.