近日，华大洋会同海南医学院、中国人民解放军科学院化学防御研究所，成功破译了世界上第一只芋头蜗牛（桶芋头圆锥蜗牛）的全基因组序列，揭示了芋头毒素表达的中心规律。
"芋头毒素基因→毒素转录→毒素蛋白→转译毒素肽"这一最重要和最基本的生物学规律首次在探索芋头毒素的性质和一般规律中发挥了重要作用，奠定了芋头毒素研究的理论基石，是芋头和芋头毒素研究领域的重要突破， 结果发表在Nutre子期刊Cell Discovery上（图1）。
该论文的第一作者是该论文的第一作者，华大海洋研究所所长石琼教授和海南医学院高浩教授是该论文的共同作者。
图 1.华大洋发表全球首张芋头基因组图谱
芋头是一大类掠食性海洋腹部软体动物，产生和分泌剧毒毒素，全世界约有700种。
虽然芋头毒素的应用前景已经得到很好的验证，但即使是一些相当成熟的药品也已经上市。然而，芋头基因组的解释由于提取和组装的困难而延迟。
在这项研究发表之前，只有少数转录组和蛋白质组学数据被发表，并且没有成功组装和破译任何芋头蜗牛的全基因组。
本研究以南海常见桶芋头物种为代表（图2a），对第一个芋头基因组进行了深度测序，成功构建了桶芋头基因组图谱。
桶芋头基因组估计为3.98 Gb（图2b），最终组装在3.43 Gb，支架N50和重叠群N50值分别为232.61 kb和171.48 kb，基因组GC含量为43.8%，转座因子为38.56%，共编码了22，698个基因。
首次在基因组水平上鉴定出133个tarotoxin基因，属于21个已知的超家族，1个富含半胱氨酸的家族，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个较短的外显子组成（图2c，2d），每个外显子的长度范围为14 bp至345 bp，平均外显子长度为87 bp（图2f）。
图 2.总结了桶状芋头基因组特征和133个芋头毒素基因
通过结合基因组学，转录组和肽组等多组数据，研究小组首次揭示了适用于tarotoxin的主要中心规则，即总基因：转录：蛋白质：翻译后修饰毒素肽的序列号比约为1：1：1：10s。
例如，在基因组水平上，芋头毒素基因conot103由三个76，82和37 bp长度的外显子组成。
在转录组，发现相应的转录本mRNA长195 bp，并用总长度为64 aa的毒素前体肽（Bt176）编码。
在肽组中，发现了46个相应的肽序列，并在第58位和第61处检测到脯氨酸（P）的翻译后修饰（图3）。
图 3.芋头毒素表达的中心规律（在毒素基因conot103的情况下）
研究发现，芋头蜗牛通过各种蛋白质水平的过程（例如不同的切割位点，翻译后修饰和N-/C端截断）产生各种各样的芋头毒素肽，这反过来又解释了为什么在单个桶芋头蜗牛中只有133个基因和约123个转录本可以产生数千个芋头毒素肽。
功能预测表明，本研究中许多芋头毒素的空间结构与已知的镇痛药omega-MVIIA，抗成瘾药物AuIB和杀虫剂IPI高度相似（图4），从而表明桶状芋头基因组数据是高通量预测和开发潜在创新药物的宝贵遗传资源。
图 4.芋头毒素肽的三维结构预测
截至目前，华大洋共发表与芋头毒素相关的SCI论文8篇，出版了一本关于芋头毒素的专著，申请了18项与芋头毒素相关的专利（已授予11项国际PCT专利，并与中国人民解放军防研究所军事科学院合作建设了深圳院士工作站（最近通过了第11项验收）， 在我国芋头毒素研发领域处于领先地位。
核心成果
华大洋已完成各种芋头蜗牛的基因组普查测序和基因组基础信息;
构建了一个局部芋头毒素数据库，其中包含迄今为止发现的大部分芋头毒素蛋白序列，可以帮助更具体地识别和预测具有特殊功能的新芋头毒素序列。
利用南海种桶芋头作为对象，分别对不同大小的个体、不同组织（毒液管和毒液气泡）、不同同源处理方法的转录组测序研究，共鉴定出215种桶状芋头毒素肽。
通过与已知杀虫活性多肽序列的同源比较分析，筛选并合成了21种潜在的抗虫塔罗毒素肽。
体外实验和黄粉蠕虫致死实验总结了具有较强昆虫细胞生长抑制活性和抗蠕虫活性的芋头毒素肽，共筛选出5种具有发展前景的新型杀虫毒素肽。
引用
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已获得11项国际PCT专利，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）。
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中国远洋公示2020-7-29号，华大洋再次创下新纪录，科技成果获得注册证书。