ヴェノミクス

^[1]ベノミクスは、動物が分泌する毒性物質 である毒液に関連するタンパク質の研究であり、通常はそれぞれ攻撃的または防御的に獲物または攻撃者に注入されます。

毒は特殊な腺で生成され、中空の牙または針を通して注入される。この過程は毒注入と呼ばれる。毒の主な働きは、神経毒性、細胞毒性、筋毒性、または血液毒性のメカニズムによって、傷ついた動物の生理学的過程を混乱させることである。これは、獲物の獲得や捕食者からの防御などの特定の過程に役立つ。毒は複数の門で何度も進化しており、門ごとに独自の毒の種類と注入方法が独立して発達している。^[2] しかし、世界には毒のある動物が多すぎるため、毒のない動物（約22,000人）よりも毒のある動物（2013年に約57,000人）が動物関連の死亡の主な原因となっている。^[3]たとえば、推定によると、世界中で10秒ごとに誰かがヘビに噛まれている。ヘビは、年間540万件以上の咬傷の原因となっており、その結果、180万～270万件の中毒と約81,410～137,880人の死亡につながっています。^[4]毒ヘビに噛まれると、呼吸ができなくなる重度の麻痺、致命的な出血につながる出血性疾患、不可逆的な腎不全、永久的な障害や四肢切断につながる重度の局所組織破壊など、急性の医療緊急事態を引き起こす可能性があります。子供は体重が小さいため、大人よりも重篤な影響を受けやすく、影響も早く現れます。^[5] 毒液を利用する方法では、毒を新薬や効果的な殺虫剤などの有益な物質に利用することができます。^{[6] [7]}たとえば、Captopril®（エナラプリル）、Integrilin®（エプチフィバチド）、Aggrastat®（チロフィバン）は、FDAに承認されているヘビ毒を原料とした薬です。これらの承認された薬剤に加えて、他の多くのヘビ毒成分が現在、さまざまな治療用途の前臨床または臨床試験に使用されています。^[1]

毒は複数のタンパク質成分で構成されており、各成分の構造の複雑さはそれぞれ異なります。毒は、単純なペプチド、二次構造（αヘリックスおよびβシート）タンパク質、三次構造タンパク質（結晶構造）の混合物である可能性があります。^[8]さらに、生物によっては、毒の内容物に組み込む戦略に根本的な違いがある場合があり、最大の違いは無脊椎動物と脊椎動物の間です。たとえば、ジョウゴグモの毒の大部分は3〜5 KDa（75％）のペプチドで構成され、残りのペプチドは質量が6.5〜8.5 KDaです。^[9]逆に、ヘビ毒は、改変された唾液タンパク質（CRISPおよびカリクレイン）や他の組織群から遺伝子が採用されたタンパク質ファミリー（アセチルコリンエステラーゼ、クロタシン、ディフェンシン、シスタチン）などのより複雑なタンパク質で構成されています。^[10]毒液を構成する成分のこの並外れた多様性のため、毒液中に含まれる何百万もの生物活性分子を識別し分類するための新しい分野が必要でした。^{[2]そのため、}ゲノミクス、トランスクリプトミクス、プロテオミクス、バイオインフォマティクスなどの複数の分野の方法を組み合わせることで、ベノミクスという適切な名前の新しい分野が生まれました。

ベノミクスは、20世紀後半にさまざまな「-omic」テクノロジーの人気が高まり始めたときに初めて確立されました。しかし、開始以来のベノミクスの進歩は常にテクノロジーの進歩に依存し、テクノロジーの進歩によって制限されてきました。フアン・カルベテは、ベノミクスの歴史を詳述する際に、これを明確に指摘しています。^[11]彼は、「過去10年間（1989〜1999年）のベノミクス研究における最新の革命は、プロテオミクス中心の方法の進歩による直接的な結果であり、より広く利用可能で費用対効果の高い形式のトランスクリプトミクスとバイオインフォマティクス分析による間接的な結果である」と宣言しています。ベノミクスの最初の人気のある研究トピックの1つは、神経毒性特性と動物に呼吸不全を引き起こす能力によるヘビ毒（具体的には、コブラ科とヒドロフィダエ科）に含まれるポリペプチド毒素の薬理学的特性でした。^[12]しかし、適切な技術が不足していたため、複雑でない技術（毒を分離するための透析など）とそれに続く単純なクロマトグラフィーと電気泳動分析により、研究は限られていました。

ヘビ毒への関心が高まっていた証拠は20世紀初頭から存在し、最初の大きな進歩は1960年代半ばにありました。例えば、ハルバート・ラウドナットは、高度な透析とペーパークロマトグラフィー技術を使用してコブラ（ Naja nivea ^{）毒を分画した最初の研究者の一人でした。 [14]さらに、エバート・カールソンとデビッド・イーカーは、コブラ（} Naja nigricollis ）毒に含まれる特定の神経毒を精製することに成功し、単離されたポリペプチドの分子量が一貫して約7000であることを発見しました。^[15]

この分野の将来の研究は、最終的には間接的な予測モデル、そして多くの重要なタンパク質スーパーファミリーの直接的な結晶構造につながるでしょう。^{[16] [13]}たとえば、バーバラ・ローは、3本指タンパク質（TFP）であるエラブトキシンbの3D構造を最初に発表した人の一人でした。^{[17] TFPは}α神経毒の一例であり、構造が小さく（約60〜80アミノ酸長）、多くのヘビ毒に見られる主要成分です（全毒素の最大70％〜95％を占めます）。^{[18] [19]}

振り返ってみると、毒物学は、現在の高度な方法を通じて、毒性分子の配列決定と正確なモデル作成において大きな進歩を遂げてきました。これらの方法を通じて、毒のグローバルな分類も行われ、以前に研究された毒が文書化され、広く利用可能になりました。その一例は、「動物毒素注釈プロジェクト」（UniProtKB/Swiss-Prot 提供）です。これは、何千もの動物の毒/毒に関するタンパク質配列、3D 構造、機能情報の高品質で自由に利用できるソースを提供することを目的としたデータベースです。これまでに、6,500 を超える毒素（毒と毒の両方）がタンパク質レベルで分類されており、UniProt 組織全体では 500,000 を超えるタンパク質をレビューし、100,000 の生物のプロテオームを提供しています。しかし、今日の技術をもってしても、動物の毒を構成する個々の成分を分解して分類するには、単一の毒サンプルに含まれる分子の量が膨大であるため、多大な時間とリソースがかかります。毒を注入された状況（攻撃関連または防御関連）に応じて毒の複雑さと構成を変えることができる動物（イモガイなど）がいる場合、これはさらに複雑になります。^[20]さらに、種のオスとメスの間には種間差異があり、毒の量と毒性が異なります。^[21]

フアン・J・カルベテ教授は、バレンシアの生物医学研究所の毒物学の著名な研究者であり、毒を解いて分析するプロセスについて広範囲に説明してきました（2007年に一度、最近では2017年に）。^{[23] [22]}

これらには次の手順が含まれます。

（1）毒の採取、（2）分離と定量、（3）同定、（4）見つかった成分の表示。

毒液採取は毒液サンプルを採取する最も単純な方法です。通常、脊椎動物（通常はヘビ）に毒のある咬傷を容器に注入します。同様に、無脊椎動物（昆虫やクモ類）の被験者には電気刺激を使用できます。^[24]この方法により、毒液の基本的な特性の発見や、毒液再生期間などの毒液生成に関与する生物学的要因の理解が可能になりました。その他の方法では、必要な材料（毒液または組織）を採取するために、死後に毒腺を解剖します。

分離法は毒サンプルを分解する最初のステップであり、一般的な方法は逆相高速液体クロマトグラフィー（RP-HPLC）です。この方法は、粗分画法としてほぼすべての毒に広く適用でき、見つかったペプチド結合を検出できます。1D / 2Dゲル電気泳動などのあまり一般的ではない技術も、重くて複雑なペプチド（望ましい> 10KDa）を含む毒の場合に使用できます。つまり、RP-HPLCに加えて、ゲル電気泳動は大きな分子（酵素など）を識別し、さらなる分析方法の前に毒を精製するのに役立ちます。^[2]次に、N末端配列決定を使用して、N末端から始めて分画されたタンパク質/ペプチドのアミノ酸順序を見つけます。^[25]さらに、 RP-HPLCから分離されたタンパク質に対してSDS-PAGE（ドデシル硫酸ナトリウム-ポリアクリルアミドゲル電気泳動）を実施して、同定段階に進む前に目的のタンパク質を同定することができる。^[23]

ペプチド/タンパク質の構造を同定する際に主に用いられるプロテオーム法には、トップダウンプロテオミクス（TDP）とボトムアッププロテオミクス（BUP）の2つがある。TDPでは、分画した毒液サンプルを採取し、それらのペプチド/タンパク質を液体クロマトグラフィータンデム質量分析（LC-MS/MS）で分析する。これにより、最初のサンプルに存在するすべてのペプチド/タンパク質が同定され、特徴付けられる。一方、BUPは、化学還元、アルキル化、酵素消化（通常はトリプシンを使用）を使用して、分析（LC-MS/MS）の前にペプチド/タンパク質を分画および分解することから構成される。サンプルを分解することで、成分がLC-MS/MS分析に理想的な質量範囲を満たすことができるため、BUPはTDPよりも一般的に使用されている。^{[26] [2]}しかし、両方の同定方法には欠点と限界がある。 BUP の結果は、大きな毒素がより小さな毒素に分解されて出力に表示されるものの、毒サンプル内に自然に存在するものではないため、タンパク質の推論の問題が生じやすい傾向があります。TDP は新しい方法で、BUP が残すギャップを埋めることができますが、TDP には高い分解能 (通常 50,000 以上) を備えた機器が必要です。ほとんどの研究では、最も正確な結果を得るために、両方の方法を並行して使用します。さらに、トランスクリプトミクス/ゲノム法を使用して、毒動物の毒腺で発現する抽出された mRNA 分子から cDNA ライブラリを作成できます。これらの方法は、毒腺で発現するすべてのタンパク質の DNA 配列を生成することにより、タンパク質識別プロセスを最適化します。毒の研究でトランスクリプトミクス/ゲノム分析を使用する際の大きな問題は、多くの毒動物の完全なゲノム配列が不足していることです。しかし、これは一時的な問題である。なぜなら、「毒系ゲノムプロジェクト」（2003年に開始）など、毒を持つ動物の配列を解読する全ゲノムプロジェクトの数が多いためである。^[27]これらのプロジェクトを通じて、生態学/進化学や毒物学などのさまざまな研究分野から、毒素に関する裏付け情報や体系的な分析が得られる。

レナータ・ロドリゲスは、上記のすべての方法を用いて、ノイヴィート槍頭（Bothropoides pauloensis ^{）のタンパク質とトランスクリプトームの両方を詳述した有益な研究を発表しました。 [28]}プロテオームは、9つのタンパク質ファミリーの存在を示し、その成分の大部分はヘビ毒メタロプロテアーゼ（38％）、ホスホリパーゼA2（31％）、およびブラジキニン増強ペプチド/ C型ナトリウム利尿ペプチド（12％）に属していました。トランスクリプトームは、1100を超える発現配列タグ（ EST ）のcDNAを提供しましたが、そのうち688の配列のみが毒腺に関連していました。同様に、トランスクリプトームは、SVMPの36％がESTの大部分を占め、PLA2（26％）とBPP / C-NP（17％）の配列が続くという一致する結果を示しました。さらに、この研究は、プロテオームとトランスクリプトミクスの両方を使用することで、毒液内の成分を完全に理解できることを示しています。これにより、多くの生理活性成分の分子構造と機能が明らかになり、毒液成分を新しい医薬品に生かすための生物学的探査につながり、抗毒素を作成するためのより優れた方法の開発に役立ちます。

毒物学の分野は、20世紀の発祥以来大幅に刷新され、次世代シーケンシングや核磁気共鳴分光法などの現代的な方法で改善され続けています。この傾向から、毒物学は21世紀の継続的な技術進歩を通じてその能力が徐々に強化されると思われます。前述のように、毒物学によってさらに拡大できる可能性のあるルートは、毒に特有の分子を特殊な医薬品に取り入れることです。その最初の例は1970年代初頭に、カプトプリルがアンジオテンシン変換酵素（ ACE ）の阻害剤であることが判明し、人々の高血圧を治療する手段となりました。^[29]グレン・キングは毒物由来の薬の現状について論じており、毒物由来の薬6種類がFDAに承認され、さらに10種類が現在臨床試験中です。^[30]マイケル・ペニントンは毒物由来医薬品の現状とこの分野の将来性について詳細な最新情報を提供している（表1）。^[6]

抗毒素は医学のもう一つの分野であり、多くの発展途上国が有毒動物の問題に直面しているため、改善が必要です。南アジア/東南アジアやサハラ以南のアフリカなどの地域では、罹患（四肢切断）と死亡の両方の症例が多く発生しています。^[31]ヘビ（特にコブラ科とクサリヘビ科）は中毒の主な原因であり、抗毒素は、過酷な生産方法（免疫化された動物）と厳格な保管条件（常に0℃以下で保管）のために、高リスク地域では常に不足^しています。この問題は、薬自体が局所組織に限られた効果しか持たず、ほとんどの患者で急性（アナフィラキシーまたは発熱性）または遅延性（血清病型）反応を引き起こすことが避けられない場合に続きます。^[32]しかし、異なる「オミクス」技術を使用することで、「アンチベノミクス」の使用は、さまざまな毒性生物に対する抗毒素を製造するための、より安全で、より費用対効果が高く、時間のかからない方法になる可能性があります。モノクローナル抗体（mAbs）の使用と毒データベースの拡張を伴う新しい抗毒素法が今日でも研究されており、抗毒素の交差反応性をスクリーニングする際のより効果的なアプローチが可能になっています。^{[33] [34]}最後に、毒から作られた昆虫特有の生物農薬の発明を通じて、強化された毒技術によって農業を改善できます。昆虫は農業/園芸害虫であり、多くの寄生虫や病気の媒介者/キャリアとして機能します。^[35]したがって、多くの昆虫種の破壊的な影響を制御するには、効果的な殺虫剤が常に必要です。しかし、過去に使用された殺虫剤の多くは、現在の規制を満たしておらず、非標的種に影響を与える（DDT）や哺乳類に対する毒性レベルが高い（ネオニコチノイド）などの有害な影響のために禁止されています。^[36]モニーク・ウィンドリーは、クモ毒には神経毒性化合物が豊富に含まれており（1000万の生物活性ペプチドが予測される）、昆虫に特異的な毒であるため、クモ毒がこの問題の潜在的な解決策であると提案しています。^[7]

表1. Pennington、Czerwinskiら（2017）が論じた毒由来の医薬品。^[6]