Пресс-центр / новости / Наука /

«Белковая топография» объясняет селективное действие α-нейротоксинов из яда скорпионов

Яды многих животных богаты нейротоксинами, воздействующими на ионные каналы мембран нервных и мышечных клеток. Изучение селективности действия нейротоксинов важно не только для фундаментальной нейробиологии, но и с точки зрения их использования, например, в биоинженерии. Новый алгоритм структурно-функционального анализа — белковая топография — позволил выявить молекулярные детерминанты избирательного действия α-нейротоксинов из яда скорпионов на натриевые каналы насекомых и млекопитающих. Полученный результат открывает возможность рационального дизайна аналогов нейротоксинов для медицины (лекарства для неврологии) и сельского хозяйства (инсектициды).

Чугунов А.О.

Одним из излюбленных объектов изучения в Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (ИБХ РАН) являются природные яды. В них часто содержатся нейротоксины, мишенью которых служат ионные каналы и рецепторы в мембранах клеток нервной системы или мышц. Нейротоксины изучают в нескольких лабораториях Института, и одна из них — лаборатория нейрорецепторов и нейрорегуляторов под руководством заместителя директора ИБХ академика Е.В. Гришина — уже более 30 лет занимается исследованием важнейших компонентов нервной системы. Среди последних особое место принадлежит потенциал-чувствительным натриевым каналам (ПЧНК), основным «игрокам» в процессе распространения нервных импульсов.

ПЧНК являются мишенью действия множества нейротоксинов — от тетродотоксина из рыбы фугу и батрахотоксина, содержащегося в секрете кожных желез некоторых Южноамериканских лягушек-листолазов, до инсектицидов пиретроидов и анестетиков лидокаина и новокаина. Связываются с ними и α-нейротоксины из яда скорпионов. При этом каналы не могут нормально закрыться, нейроны чрезмерно возбуждаются, и тем самым оказывается парализующее действие на жертву. Хотя основной пищей скорпионов являются насекомые и паукообразные, их яд действует и на млекопитающих: в ряде случаев укус может быть смертельным — если произойдет паралич дыхательной или сердечной мускулатуры. Всего известно несколько десятков видов скорпионов, опасных для человека.

В яде скорпионов обнаружены α-токсины, воздействующие на насекомых и млекопитающих: первые можно назвать инсектотоксинами, а вторые — млекотоксинами. Действие этих молекул является специфичным для, соответственно, ПЧНК насекомых и млекопитающих. Интересно, что, хотя у насекомых присутствует единственный ПЧНК, обозначаемый Para, у человека есть, по крайней мере, девять разных каналов: Nav1.1—1.9. Молекулярный механизм селективного действия нейротоксинов на один или другой тип канала является не только фундаментальной задачей нейробиологии, но и важным вопросом биотехнологии и биоинженерии. Раскрыв его, можно заняться дизайном аналогов нейротоксинов, назначением которых будет корректировка работы ПЧНК в некоторых неврологических заболеваниях (например, эпилепсии или миотонии) или использование в качестве инсектицидов.

С молекулярной точки зрения ПЧНК состоит из очень длинной полипептидной цепи (около двух тысяч остатков аминокислот), которая представлена четырьмя похожими повторами. При этом в пространстве канал составлен из пяти доменов. В образовании единственного пóрового домена (ПД) участвуют все повторы полипептидной цепи; в его центре формируется селективная для ионов Na+ пóра. Четыре — по одному от каждого повтора — потенциал-чувствительных домена (ПЧД) расположены вокруг центрального ПД. Функция ПЧД — реагировать на изменение мембранного потенциала и передавать команду на открытие поры.

В ИБХ РАН было проведено исследование, направленное на выявление особенностей млеко- и инсектотоксинов из яда скорпионов, определяющих их селективное взаимодействие с соответствующими ПЧНК. Работа, опубликованная в 2013 году в журнале Journal of Biological Chemistry [1], состояла из двух частей:

  1. Компьютерный анализ структуры и динамики позволил выявить характерные особенности млеко- и инсектотоксинов и предсказать активность «сиротского» токсина с неизвестной селективностью. Эта часть работы была сделана в лаборатории моделирования биомолекулярных систем под руководством заместителя директора ИБХ профессора Р.Г. Ефремова.
  2. Затем предсказания были проверены в лаборатории нейрорецепторов и нейрорегуляторов: был синтезирован «сиротский» токсин и исследована его специфичность.

Компьютерное моделирование было основано на методе молекулярной динамики (МД). Установлено, что молекулы α-токсинов, несмотря на свой небольшой размер и жесткую структуру, состоят из двух динамических модулей. Анализ характерных движений показал, что один из этих модулей достаточно «жесткий», а другой — конформационно «пластичный». Более того, движения «пластичного» модуля различаются у млеко- и инсектотоксинов (рис. 1).

Рисунок 1. Модульная структура α-токсинов скорпионов. Эти токсины — небольшие белки, составленные из β-листа и α-спирали, скрепленных дисульфидными связями. Такая жесткая и эволюционно консервативная структура образует «сердцевину» молекулы, а две петли и C-конец образуют динамически подвижный «модуль специфичности» (показан пунктирным овалом), отличающийся у млеко- (слева) и инсектотоксинов (справа). Рисунок показывает результаты анализа характерных внутренних движений по данным молекулярной динамики. Цветной спектр конформаций изображает динамическую подвижность каждой из молекул. Картинка модифицирована из [1].

Идентифицированные с помощью МД части молекул получили название «сердцевины» и «модуля специфичности». Сердцевина α-токсинов оказывается эволюционно консервативной (очень сходно устроенной у инсекто- и млекотоксинов), а модуль специфичности — вариабельным, соответствующим конкретной мишени действия. Сердцевина, таким образом, отвечает за распознавание ПЧНК «вообще», а быстро изменяющийся в эволюции модуль специфичности позволяет токсину «настраиваться» на конкретный тип канала.

Было также обнаружено, что модуль специфичности млекотоксинов существенно более гидрофильный, чем у инсектотоксинов. Такое наблюдение позволил сделать разработанный в лаборатории моделирования биомолекулярных систем алгоритм «белковой топографии» для структурно-функционального анализа биоактивных пептидов. Алгоритм основан на сферическом «картировании» распределенных на молекулярной поверхности свойств, таких как молекулярная гидрофобность или электростатический потенциал (рис. 2). Среди преимуществ метода — возможность учета молекулярной динамики и групповой анализ. Он позволяет выявить детерминанты биологического действия, характерные для активных молекул и отличающие их от неактивных веществ.

Рисунок 2. Метод белковой топографии подчеркивает различия модулей специфичности млеко- и инсектотоксинов. А. Белковая топография основана на сферическом картировании свойств, распределенных на поверхности сферы (таких как молекулярный гидрофобный потенциал, МГП). Одним из результатов является карта-развертка, позволяющая «разглядеть» молекулу целиком со всех сторон. Б. Карты гидрофобных/гидрофильных свойств для млеко- (сверху) и инсектотоксинов (снизу). Наибольшее различие карт наблюдается в районе модуля специфичности, очерченного красным контуром. Синие точки соответствуют проекциям аминокислотных остатков, а на карте млекотоксинов черная подложка в подписи указывает на повышенную эволюционную вариабельность остатков. Панель Б модифицирована из [1].

Найденные особенности в организации токсинов предположительно отражают структурные детерминанты, позволяющие им селективно распознавать свои мишени, которые также состоят из отдельных «частей». Идея соответствия модульной организации токсинов доменной структуре каналов имеет интересный эволюционный смысл и указывает на гонку вооружений в противостоянии ядовитых животных и их жертв. По-видимому, модульная структура позволяет токсинам гибко адаптироваться к изменяющейся мишени.

Созданный метод белковой топографии может использоваться для предсказания активности токсинов с неизученными свойствами. В частности, для токсина M9 из яда Среднеазиатского скорпиона Mesobuthus eupeus была предсказана активность в отношении каналов как млекопитающих, так и насекомых. Биоинженерный синтез и тестирование активности этого токсина на рекомбинантных ПЧНК подтвердили высказанное предположение. Интересно, что M9 стал первым α-нейротоксином из скорпионьего яда, для которого исследовали пространственную структуру (кстати, это тоже было сделано в ИБХ [2]).

Видеозапись доклада одного из авторов работы в JBC — А.А. Василевского — «Что-то... про паучков», сделанного на «ядовитом» семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН осенью 2013 года. В этом докладе также рассказывается о непростых взаимоотношениях нейротоксинов с их молекулярными мишенями.

В представленной работе мы старались проиллюстрировать взаимодополняющую роль эксперимента и компьютерных расчетов. Совместные усилия двух лабораторий позволили рассмотреть интересные особенности межмолекулярного распознавания и обозначить перспективы в биоинженерии нейротоксинов для медицины и сельского хозяйства.

По мотивам этого исследования написана научно-популярная статья, опубликованная в журнале «Наука и Жизнь» [3] и (в расширенном виде) — на сайте «Биомолекула» [4].

Литература

  1. Chugunov A.O., Koromyslova A.D., Berkut A.A., Peigneur S., Tytgat J., Polyansky A.A., Pentkovsky V.M., Vassilevski A.A., Grishin E.V., Efremov R.G. (2013). Modular Organization of α-Toxins from Scorpion Venom Mirrors Domain Structure of Their Targets — Sodium Channels. J. Biol. Chem. 288, 19014–19027;
  2. Pashkov V.S., Maiorov V.N., Bystrov V.F., Hoang A.N., Volkova T.M., Grishin E.V. (1988). Solution spatial structure of ‘long’ neurotoxin M9 from the scorpion Buthus eupeus by 1H-NMR spectroscopy. Biophys Chem. 31, 121–131;
  3. Чугунов А.О., Василевский А.А. Эволюционная «гонка вооружений»: нейротоксины против ионных каналов. Наука и жизнь 11 (2013), 42–48 (PDF);
  4. биомолекула: «Яды — высокоточное оружие: компьютерное исследование природных нейротоксинов».

17 декабря 2013 года

Источник: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23637230