《Toxicon》：Aquatic Assassins: Proteo-Transcriptomic and Functional Profiling of Giant Water Bug and Water Scorpion Venoms
编辑推荐：
水生蜻蜓毒液组学研究揭示蛋白酶主导的捕食策略分化及凝血酶原酶活性差异，为理解昆虫毒液进化提供新框架。
穆图姆·兰贾娜·德维（Mutum Ranjana Devi）、米希尔·库马尔（Mihir Kumar）、戈特拉瓦利·V·鲁德雷莎（Gotravalli V. Rudresha）、穆拉利达尔·奈亚克（Muralidhar Nayak）、亚尔·拉贾谢卡尔（Y. Rajashekar）、阿克塞尔·布罗克曼（Axel Brockmann）、卡蒂克·苏纳加尔（Kartik Sunagar）
进化毒理学实验室（Evolutionary Venomics Lab），印度科学研究所（Indian Institute of Science）生态科学中心，班加罗尔 - 560012，卡纳塔克邦，印度
摘要
水生半翅目昆虫拥有高度特化的唾液毒液，用于麻痹猎物；然而，其进化起源、分子组成和功能多样性仍知之甚少。本文结合蛋白质组学和转录组学分析与生化分析，比较了三种生态上重要的昆虫的毒液：巨型水虫（Lethocerus indicus）、电光虫（Diplonychus rusticus）和水蝎（Laccotrephes maculatus）。蛋白质组学分析显示，肽酶是这三种昆虫毒液中的主要毒素家族，证实了蛋白水解作用是半翅目昆虫毒液的功能核心。物种间的差异包括：L. indicus中CUB结构域的扩展、D. rusticus中脂肪酶含量较高，以及L. maculatus中含有丰富的细胞毒性成分，如半胱氨酸蛋白酶、蛇毒酶和溶血素。进一步的功能比较研究表明：L. indicus的毒液具有强烈的蛋白水解和纤维蛋白原分解活性，可特异性降解人类纤维蛋白原的Aα和γ链；L. maculatus的毒液具有最高的细胞毒性和磷脂酶活性，而D. rusticus的毒液则表现出较强的蛋白酶活性。凝血实验表明，尽管三种昆虫的毒液均具有抗凝作用，但L. indicus的毒液引起的凝血障碍最为显著。这些物种间的差异揭示了半翅目昆虫毒液策略的多样化，并暗示了水生类群中毒性机制的独立进化。总体而言，我们的研究为理解这些捕食性昆虫的毒液进化提供了分子和功能框架，并鉴定出具有潜在抗血栓作用的生物活性成分。
引言
毒液是由蛋白质、肽和盐类组成的复杂生化混合物，它们在不同动物类群中独立进化出来，用于快速麻痹猎物并抵御微生物和捕食者（Casewell等人，2020年；Dutertre等人，2014年；Sunagar等人，2016年；von Reumont等人，2014年）。在昆虫中，真虫（半翅目Heteroptera）是一个多样的半变态类群，包括植食性、吸血性、捕食性、食腐性和食真菌性物种（Devi等人，2024年；Schuh和Weirauch，2020年）。系统发育证据表明，半翅目的捕食行为早在约2.5亿年前就已出现（Wang等人，2016年；Weirauch等人，2019年）。真虫下目Nepomorpha包含11-13个科，主要是以水生环境为主的捕食性昆虫（Schuh和Weirauch，2020年）。其中，巨型水虫（Lethocerus indicus）和电光虫（Diplonychus rusticus）属于Belostomatidae科，而水蝎（Laccotrephes maculatus）属于Napidae科（Doke等人，2017年；Ribeiro等人，2018年）。这些水生捕食者利用灵活的后腿并通过口器注入富含酶的毒液来制服猎物（Phommavongsa等人，2023年）。人类被这些昆虫叮咬后，通常会出现剧烈疼痛和局部水肿（Haddad等人，2010年）。毒理学研究的最新进展，特别是基于转录组学和质谱技术的蛋白质组学分析，大大加深了对毒液分子多样性的理解，并发现了许多新的毒素家族（Andrew A. Walker等人，2018年）。Belostomatidae科内的不同亚科（如Lethocerinae和Belostomatinae）的唾液酶组成与其食物偏好相关（Swart等人，2006年）。对多种真虫物种的毒液分析发现，其中含有多种生物活性分子，如蛋白酶、水解酶、细胞毒性肽和抗凝蛋白，这些分子参与猎物的麻痹、体外消化、免疫调节和吸血过程（Liang等人，2025a；Qu等人，2023年；Andrew Allan Walker等人，2018年）。
尽管有这些有趣的发现，但与蛇、蜘蛛和蝎子的毒液相比，昆虫毒液的研究仍相对不足，尤其是在生物多样性丰富的印度东北部地区。本文对来自印度纳加兰德（Nagaland）的L. indicus、D. rusticus和L. maculatus的毒液进行了蛋白质组学和生化比较分析，将多组学数据与功能测试相结合，从而获得了关于这些水生昆虫毒液进化和功能的新见解。
样本与毒液采集
成年L. indicus、D. rusticus和L. maculatus样本采集自印度纳加兰德（Nagaland）的Doyapur湖（图1）。样本在适宜的水生条件下运输，并在实验室水族箱中适应环境后用于提取毒液。提取毒液前，昆虫需禁食24小时，并在4°C下静置10分钟以减少活动性和应激反应。毒液通过温和的电刺激（9–12 V直流电，2 A电流，持续30秒）获得。
采样与毒液产量
捕食性昆虫采集自纳加兰德（Nagaland）Doyapur湖（图1和图2A–2C）。毒液通过电刺激方法从健康昆虫体内提取，具体操作为施加9–12 V直流电、2 A电流，持续30秒（图2D–2F）。每只昆虫每次提取的毒液量分别为：L. indicus 174.9 μg，D. rusticus 3.5 μg，L. maculatus 4.62 μg（图S1）。同时还收集了这些昆虫的毒液腺体。
讨论
本研究对来自印度东北部的L. indicus、D. rusticus和L. maculatus的毒液进行了深入的综合性分析，结合了蛋白质组学和一系列生化及药理学测试。多组学和功能研究结果表明，肽酶在这些水生昆虫的毒液中占主导地位（图3和图5），证实了蛋白水解作用是水生半翅目昆虫毒液的基本功能特征。
结论
本研究对来自印度东北部的L. indicus、D. rusticus和L. maculatus的毒液进行了全面分析，结合了蛋白质组学和生化测试。结果显示，肽酶在这些昆虫的毒液中占主导地位，蛋白水解作用是水生半翅目昆虫毒液的功能核心。在不同物种中，各具独特特征：L. indicus的CUB结构域蛋白扩展明显；D. rusticus的脂肪酶含量较高；
作者贡献声明
米希尔·库马尔（Mihir Kumar）：负责撰写初稿、数据可视化、验证、方法设计、实验实施、数据分析及数据整理。穆图姆·兰贾娜·德维（Mutum Ranjana Devi）：负责撰写初稿、数据可视化、验证、方法设计、实验实施、数据分析及数据整理。穆拉利达尔·奈亚克（Muralidhar Nayak）：负责软件开发及实验实施。戈特拉瓦利·V·鲁德雷莎（Gotravalli V Rudresha）：负责撰写、编辑、数据验证、方法设计、实验实施、数据分析及数据整理。亚尔·拉贾谢卡尔（Yallappa Rajashekar）：
未引用参考文献
Walker等人，2018年；Walker等人，2018年。
伦理声明
毒液对人类血液的凝血障碍效应已获得印度科学研究所（IISc）伦理委员会（IHEC编号：09/08.01.2026）的批准。血液样本来自自愿参与且知情同意的受试者。
利益冲突
作者声明不存在利益冲突。
数据可用性
研究数据包含在文章正文中及补充信息中。用于蛋白质组学和转录组学分析的数据分别存储在补充数据1和2中。原始蛋白质组和转录组数据可分别在NCBI的PRIDE数据库中找到，数据标识符分别为PXD072642和Sequence Read Archive SUB15821753，项目编号PRJNA1389854。
资助
本研究得到了DBT/India AllianceWellcome基金[IA/I/19/2/504647]的支持，以及印度政府科技部生物技术部的资助[DBT-NER/Agri/24/2013]。GVR还获得了DBT研究助理计划（DBT-RA）的资助[DBT-RA/2023/January/N/3636]。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Prasad先生（IISc，班加罗尔）在制作图1方面的帮助，感谢Vilas Hiremat博士（Vijayashree Diagnostics，班加罗尔）在凝血实验中的支持，以及已故的Chandrasekhar教授（UAS，GKVK校区，班加罗尔）在昆虫解剖教学方面的指导。同时感谢Kavita（IISc，班加罗尔）在毒液采集工作中的协助，以及Navanita SK和Harish Selvaraj在实验中的宝贵支持。
