stringtranslate.com

Латротоксин

Латротоксин — это нейротоксин с высокой молекулярной массой , обнаруженный в яде пауков рода Latrodectus (пауки-вдовы), а также по крайней мере одного вида другого рода того же семейства, Steatoda nobilis . [1] Латротоксины являются основными активными компонентами яда и отвечают за симптомы латродектизма .

Были описаны следующие латротоксины: пять инсектицидных токсинов, называемых α, β, γ, δ и ε-латроинсектотоксинами, один нейротоксин , специфичный для позвоночных , альфа-латротоксин, и один токсин, поражающий ракообразных , α-латрокрустатоксин. [2]

α-латротоксин

Наиболее изученным латротоксином является альфа-латротоксин, который действует пресинаптически, высвобождая нейротрансмиттеры (включая ацетилхолин ) из сенсорных и двигательных нейронов, а также на эндокринные клетки ( например, высвобождая инсулин ). [3] Это белок массой около 130 кДа , который существует в основном в димеризованных или тетрамеризованных формах.

α-Латротоксин ( α-LTX ) естественным образом встречается у пауков-вдов рода Latrodectus . Наиболее известными из этих пауков являются черные вдовы, Latrodectus mactans . [4] Яд пауков-вдов ( Latrodectus ) содержит несколько белковых токсинов, называемых латротоксинами, которые избирательно воздействуют либо на позвоночных , либо на насекомых , либо на ракообразных . Одним из этих токсинов является α-латротоксин, который избирательно воздействует на позвоночных; он неэффективен для насекомых и ракообразных. α-LTX имеет высокое сродство к рецепторам, которые специфичны для нейронных и эндокринных клеток позвоночных. [5]

Биосинтез

Поскольку последовательность ДНК для α-LTX транскрибируется и транслируется, образуется неактивная молекула-предшественник α-LTX (156,9 кДа). Эта молекула-предшественник подвергается посттрансляционной обработке, где образуется в конечном итоге активный белок α-LTX (131,5 кДа). [6]

N-концу молекулы-предшественника α-LTX предшествуют короткие гидрофильные последовательности, заканчивающиеся кластером основных аминокислот. Эти кластеры распознаются протеолитическими ферментами (фуриноподобными протеазами ), которые расщепляют и активируют молекулы-предшественники α-LTX посредством гидролиза. C-конец также распознается этими фуриноподобными протеазами и также расщепляется. [6]

Молекулы-предшественники α-LTX синтезируются свободными рибосомами в цитозоле и, следовательно, являются цитозольными в секреторных эпителиальных клетках ядовитых желез., [6] [7] Однако они могут связываться с секреторными гранулами, хотя они не захватываются в просвет гранул. Цитозольная молекула-предшественник α-LTX высвобождается из клетки посредством голокриновой секреции, где она попадает в ядовитую железу паука. Эта железа содержит несколько протеаз, участвующих в расщеплении молекулы-предшественника α-LTX. [8]

Третичную структуру белка α-LTX можно разделить на три части: N-концевое крыло (36 кДа), [7] тело (76 кДа), [7] и C-концевая головка (18,5 кДа). [7] Из-за C-концевых анкириновых повторов, которые опосредуют белок-белковые взаимодействия, мономер α-LTX образует димер с другим мономером α-LTX в нормальных условиях. [8] Образование тетрамера активирует токсичность. [7]

Токсикокинетика

α-LTX влияет на двигательные нервные окончания и эндокринные клетки. Никакие основные ферментативные активности не связаны. [7] Вместо этого токсин может образовывать поры в липидных мембранах и вызывать поток ионов Ca 2+ . Начало эффектов интоксикации может происходить с задержкой от 1 до 10 минут, даже при субнаномолярных уровнях концентрации. При наномолярных концентрациях происходят всплески высвобождения нейротрансмиттера. После всплесков вступают в силу длительные периоды устойчивого высвобождения. [7] [9]

Стимуляция малых потенциалов действия концевой пластинки первоначально вызывается нейротоксином, а затем нейротрансмиссия блокируется в нервно-мышечном соединении. Это происходит из-за истощения содержимого синаптических пузырьков. [10]

Токсикодинамика

α-LTX в своей тетрамерной форме взаимодействует с рецепторами ( нейрексинами и латрофилинами ) на нейрональной мембране, что вызывает встраивание α-LTX в мембрану.

После того, как тетрамер вставлен в клеточную мембрану, могут возникнуть два механизма действия. Во-первых, вставка может привести к образованию пор и, возможно, другим эффектам, а во-вторых, рецептор может быть активирован, что приводит к внутриклеточной сигнализации. [8] Четыре головки тетрамера образуют чашу, окружающую пору, которая ограничена в одной точке до 10 Å. [7] Миллимолярные концентрации Ca2 + и Mg2 + сильно катализируют образование тетрамера, предполагая, что тетраметрическое состояние зависит от двухвалентного катиона, в то время как EDTA способствует образованию димера. Исследования также показывают, что концентрации La3 + выше 100 мкМ также блокируют тетрамеризацию. [7] Образование пор может происходить в чистых липидных мембранах, но реконструированные рецепторы значительно увеличивают образование пор. Биологические мембраны блокируют образование пор, когда отсутствуют рецепторы α-LTX (нейрексин, латрофилин, PTPσ). [7] Также известно, что три высококонсервативных остатка цистеина участвуют в связывании рецептора α-LTX, поскольку мутанты, содержащие серин вместо остатков цистеина, не вызывали токсичности. [7] N-концевой домен должен правильно складываться, в котором дисульфидные связи должны быть функциональными. Токсин α-LTX связывается небольшим белком, LMWP или латродектином. Было замечено, что образование пор в липидных бислоях невозможно, когда латродектин недоступен. Лактродектин не влияет на токсичность α-LTX. [7]

Образование пор

Поры, образованные α-LTX в мембране, проницаемы для Ca 2+ и, следовательно, обеспечивают приток Ca 2+ в клетку. Этот приток в возбудимую клетку стимулирует экзоцитоз напрямую и эффективно. Приток катионов пропорционален количеству пор и, следовательно, количеству задействованных рецепторов, экспрессируемых на клеточной мембране. Также Ca 2+ сильно облегчает формирование тетрамеров и , следовательно, образование пор. Пора также проницаема для нейротрансмиттеров, что вызывает массовую утечку пула нейротрансмиттеров в цитозоле . [8]

Наряду с притоком Ca 2+ , канал не очень селективен, позволяя Na + , K + , Ba 2+ , Sr 2+ , Mg 2+ , Li + и Cs + также проходить через мембрану. Пора открыта большую часть времени, с вероятностью открытия 0,8. Большинство трехвалентных катионов блокируют каналы при 50-100 мкМ, такие как Yb 3+ , Gd 3+ , Y 3+ , La 3+ и Al 3+ . [7]

Пора проницаема не только для катионов, но и для воды. Это вызывает отек нервного окончания. Дальнейшие нарушения мембранного потенциала происходят из-за проницаемости малых молекул, таких как нейротрансмиттеры и АТФ, для прохождения через пору α-LTX.

Проникновение через мембрану

Хотя тетрамерное образование пор α-латротоксина было убедительно продемонстрировано [ требуется ссылка ] , некоторые авторы все еще спорят, является ли это основным способом действия α-латротоксина, и полагают, что α-латротоксин (тетрамерный или нет) может проникать через мембрану клеток-мишеней и напрямую взаимодействовать с внутриклеточным механизмом высвобождения нейротрансмиттеров. [ требуется ссылка ]

Рецепторы

Следующий механизм предполагается для рецепторно-опосредованных эффектов. Было описано три рецептора для α-латротоксина:

Токсин стимулирует рецептор, скорее всего, латрофилин, который является рецептором, сопряженным с G-белком, связанным с Gαq/11. Нижестоящим эффектором Gαq/11 является фосфолипаза C (PLC). При активации PLC увеличивается цитозольная концентрация IP3, что, в свою очередь, вызывает высвобождение Ca 2+ из внутриклеточных хранилищ. Этот рост цитозольного Ca 2+ может увеличить вероятность высвобождения и скорость спонтанного экзоцитоза. [8] Латрофилин с α-LTX может вызывать активацию протеинкиназы C (PKC). PKC отвечает за фосфорилирование белков SNARE. Таким образом, латрофилин с α-LTX вызывает эффект экзоцитоза транспортных везикул. Точный механизм еще предстоит выяснить. [11]

Сигнализация

Помимо основных эффектов образования пор α-латротоксином, другие эффекты α-латротоксина опосредованы взаимодействием с латрофилином и внутриклеточной сигнализацией (см. трансдукцию сигнала ). [ необходима цитата ]

Соотношение «структура-активность» (SAR)

Природный димер α-LTX должен образовывать тетрамер, чтобы быть токсичным. Тетрамеризация происходит только в присутствии двухвалентных катионов (таких как Ca2 + или Mg2 + ) или амфипатических молекул. Четыре мономера, которые образуют этот тетрамер, симметрично расположены вокруг центральной оси, напоминая четырехлопастной пропеллер диаметром 250 Å и толщиной 100 Å. Домены головки образуют компактную центральную массу, объединенную и окруженную доменами тела. Крылья расположены перпендикулярно оси тетрамера. Из-за этой формы тетрамер содержит грушевидный канал в центральной массе. На нижнем конце диаметр этого канала составляет 25 Å, затем расширяется до 36 Å и сужается до 10 Å наверху. [7] [8]

Основание тетрамера (ниже крыльев) имеет глубину 45 Å и является гидрофобным, что опосредует вставку в клеточную мембрану. Кроме того, вставка тетрамера возможна только при наличии определенных рецепторов (в основном нейрексина Iα и латрофилина и PTPσ в меньшей степени) на мембране. Нейрексин Iα опосредует вставку только в присутствии Ca 2+ , тогда как латрофилина и PTPσ могут опосредовать вставку без присутствия Ca 2+ . [8] Таким образом, из-за канала и вставки в клеточную мембрану белок делает клетку более проницаемой для веществ, которые могут проходить через канал. Этими веществами являются одно- и двухвалентные катионы, нейротрансмиттеры, флуоресцентные красители и АТФ. [8]

Токсичность

Средняя летальная доза (LD50) α-LTX для мышей составляет 20–40 мкг/кг массы тела. [8]

LD50 яда Latrodectus в мг/кг для различных видов: лягушка = 145, черный дрозд = 5,9, канарейка = 4,7, таракан = 2,7, цыпленок = 2,1, мышь = 0,9, муха домашняя = 0,6, голубь = 0,4, морская свинка = 0,1. [12]

Научный вклад

αLTX помог подтвердить гипотезу везикулярного транспорта высвобождения трансмиттера, установить потребность в Ca 2+ для везикулярного экзоцитоза и охарактеризовать отдельные места высвобождения трансмиттера в центральной нервной системе. Он помог идентифицировать два семейства важных нейрональных рецепторов клеточной поверхности. [8]

Мутантная форма αLTX, которая называется αLTXN4C и не образует пор, внесла свой вклад в исследования. Она помогла подходу к расшифровке внутриклеточного механизма передачи сигнала, стимулируемого αLTX. Мутантный токсин также может быть использован для изучения природы и свойств внутриклеточных запасов Ca 2+, вовлеченных в путь передачи рецептора токсина, и их влияния на вызванные постсинаптические потенциалы. Мутантный токсин также может быть инструментом для выяснения эндогенных функций αLTX. [8]

Другие компоненты яда

Естественной добычей пауков-вдов являются насекомые, и в их яде обнаружено несколько инсектотоксинов. Латроинсектотоксины, по-видимому, имеют схожую структуру. [13]

Высокомолекулярные белки, которые были выделены из средиземноморской черной вдовы ( L. tredecimguttatus ), включают в себя нейротоксины, специфичные для насекомых, α-латроинсектотоксин и δ-латроинсектотоксин, нейротоксин, поражающий ракообразных, известный как латрокрустатоксин, и небольшие пептиды , которые ингибируют ангиотензин-1-превращающий фермент . [2]

Помимо описанных выше высокомолекулярных латротоксинов, яд Latrodectus также содержит низкомолекулярные белки [14] , функция которых еще не полностью изучена, но может быть связана с облегчением внедрения латротоксинов в мембрану. [15]

Ссылки

  1. ^ Данбар, Джон П.; Форт, Антуан; Редюро, Дэмиен; Сюльпис, Ронан; Дюгон, Мишель М.; Квинтон, Луик (июнь 2020 г.). «Веномический подход выявляет высокую долю токсинов, подобных лактородектусу, в яде благородного ложного паука Steatoda nobilis». Токсины . 12 (6): 402. doi : 10.3390/toxins12060402 . PMC  7354476. PMID  32570718 .
  2. ^ ab Гришин EV (ноябрь 1998). "Токсины паука "черная вдова": настоящее и будущее". Toxicon . 36 (11): 1693–701. doi :10.1016/S0041-0101(98)00162-7. PMID  9792186.
  3. ^ Südhof TC (2001). «альфа-латротоксин и его рецепторы: нейрексины и CIRL/латрофилины». Annu. Rev. Neurosci . 24 : 933–62. doi :10.1146/annurev.neuro.24.1.933. PMID  11520923. S2CID  906456.
  4. ^ Südhof, TC (2001). «альфа-латротоксин и его рецепторы: нейрексины и CIRL/латрофилины». Annual Review of Neuroscience . 24 : 933–62. doi :10.1146/annurev.neuro.24.1.933. PMID  11520923. S2CID  906456.
  5. ^ Ушкарев, YA; Волынский, KE; Эштон, AC (апрель 2004 г.). «Множественное действие токсинов паука черная вдова и их избирательное использование в исследованиях нейросекреции». Toxicon . 43 (5): 527–42. doi :10.1016/j.toxicon.2004.02.008. PMID  15066411.
  6. ^ abc Ушкарев, YA; Волынский, KE; Эштон, AC (апрель 2004 г.). «Множественное действие токсинов паука черная вдова и их избирательное использование в исследованиях нейросекреции». Toxicon . 43 (5): 527–42. doi :10.1016/j.toxicon.2004.02.008. PMID  15066411.
  7. ^ abcdefghijklmn Ушкарёв, YA; Рохоу, A; Сугита, S (2008). альфа-латротоксин и его рецепторы . Справочник по экспериментальной фармакологии. Т. 184. С. 171–206. doi :10.1007/978-3-540-74805-2_7. ISBN 978-3-540-74804-5. PMC  2519134 . PMID  18064415.
  8. ^ abcdefghijk Ушкарёв, YA; Волынский, KE; Эштон, AC (апрель 2004 г.). «Множественное действие токсинов паука чёрной вдовы и их избирательное использование в исследованиях нейросекреции». Toxicon . 43 (5): 527–42. doi :10.1016/j.toxicon.2004.02.008. PMID  15066411.
  9. ^ Хенкель, AW; Санкаранараянан, S (май 1999). «Механизмы действия альфа-латротоксина». Cell and Tissue Research . 296 (2): 229–33. doi :10.1007/s004410051284. PMID  10382267. S2CID  9933831.
  10. ^ Петерсон, ME (ноябрь 2006 г.). «Отравление пауком «Черная вдова»». Клинические методы в практике лечения мелких животных . 21 (4): 187–90. doi :10.1053/j.ctsap.2006.10.003. PMID  17265903.
  11. ^ Хирамацу, Х.; Тадокоро, С.; Наканиши, М.; Хирашима, Н. (декабрь 2010 г.). «Экзоцитоз, вызванный латротоксином, в тучных клетках, трансфицированных латрофилином». Toxicon . 56 (8): 1372–80. doi :10.1016/j.toxicon.2010.08.002. PMID  20708026.
  12. ^ Jelinek, GA (ноябрь 1997 г.). «Отравление пауками-вдовами (латродектизм): всемирная проблема». Wilderness & Environmental Medicine . 8 (4): 226–31. doi : 10.1580/1080-6032(1997)008[0226:WSELAW]2.3.CO;2 . PMID  11990169.
  13. ^ Rohou A, Nield J, Ushkaryov YA (март 2007). «Инсектицидные токсины из яда паука черной вдовы». Toxicon . 49 (4): 531–49. doi :10.1016/j.toxicon.2006.11.021. PMC 2517654 . PMID  17210168. 
  14. ^ Gasparini S, Kiyatkin N, Drevet P, et al. (август 1994). «Низкомолекулярный белок, который очищается совместно с альфа-латротоксином, структурно связан с гипергликемическими гормонами ракообразных». J. Biol. Chem . 269 (31): 19803–9. doi : 10.1016/S0021-9258(17)32091-4 . PMID  8051061.
  15. ^ Graudins, Andis; Little, Michelle J.; Pineda, Sandy S.; Hains, Peter G.; King, Glenn F.; Broady, Kevin W.; Nicholson, Graham M. (1 января 2012 г.). «Клонирование и активность нового α-латротоксина из яда красноспинного паука». Biochemical Pharmacology . 83 (1): 170–183. doi :10.1016/j.bcp.2011.09.024. hdl : 10453/18571 . PMID  22001442.