Змеиный токсин и токсиноподобный белок | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | Toxin_TOLIP | |||||||
Pfam | PF00087 | |||||||
Клан пфам | CL0117 | |||||||
ИнтерПро | IPR003571 | |||||||
ПРОФИЛЬ | PS00272 | |||||||
CATH | 1qkd | |||||||
SCOP2 | 1qkd / SCOPe / SUPFAM | |||||||
OPM суперсемейство | 53 | |||||||
Белок OPM | 1txa | |||||||
CDD | cd00206 | |||||||
|
Токсины три пальцев (сокращенно 3FTx ) представляют собой белка надсемейства малого токсина белков , обнаруженных в яде из змей . Трехпальцевые токсины, в свою очередь, являются членами более крупного суперсемейства трехпальцевых белковых доменов, которое включает нетоксичные белки, которые имеют сходную белковую складку . Группа названа в честь ее общей структуры, состоящей из трех петель бета-цепей, соединенных с центральным ядром, содержащим четыре консервативные дисульфидные связи . Белковый домен 3FP не обладает ферментативной активностью и обычно составляет от 60 до 74аминокислотные остатки длинные. [2] [3] [4] [5] Несмотря на свою консервативную структуру, токсиновые белки с тремя пальцами обладают широким спектром фармакологических эффектов. Большинство членов этого семейства - нейротоксины, которые действуют на холинергическую межклеточную передачу сигналов; что альфа-нейротоксин семья взаимодействует с мышечным никотиновым рецепторами ацетилхолина (nAChRs), в каппа-бунгаротоксине семьей с нейронным nAChRs и мускариновыми токсинами с мускариновыми рецепторами ацетилхолина (mAChRs). [2]
Суперсемейство токсинов с тремя пальцами определяется общей третичной структурой, состоящей из трех петель, содержащих бета-цепь (обозначенных петлями I, II и III), выступающих из небольшого гидрофобного ядра, содержащего четыре консервативные дисульфидные связи . Считается, что эта структура напоминает руку с тремя пальцами, отсюда и название. [2] Белки обычно состоят из 60-74 аминокислотных остатков , хотя некоторые из них имеют дополнительные N- или C-концевые удлинения. Дополнительная дисульфидная связь может присутствовать либо в петле I, либо в петле II. [2] Суперсемейство можно условно разделить на три класса:[2] [3] [6]
Большинство белков 3FTx являются мономерами . Однако некоторые подгруппы 3FTx образуют функциональные нековалентные гомодимеры . [2] Группа каппа-бунгаротоксинов является наиболее охарактеризованным димером 3FTx и взаимодействует через антипараллельный интерфейс димеров, состоящий из внешней цепи петли III. [7] Гадитоксин является другим примером димера 3FTx; он является членом короткоцепочечной группы и имеет аналогичный интерфейс димеров, но отличную фармакологию по сравнению с длинноцепочечными каппа-бунгаротоксинами. [9]
Также описано несколько примеров ковалентно связанных димеров. [2] Эти белки из нетрадиционной группы связаны межмолекулярными дисульфидными связями. Некоторые из них, такие как ирдитоксин , представляют собой гетеродимеры, связанные цистеинами в петлях I и II. [8] Другие, такие как альфа-кобротоксин , могут образовывать как гомодимеры, так и гетеродимеры, которые обладают различными фармакологическими активностями in vitro , хотя их функциональное значение неясно из-за их очень низкой концентрации в яде. [10]
Несмотря на консервативную общую структуру, белки 3FTx обладают широким спектром фармакологических эффектов, опосредующих их токсичность. Многие члены этого семейства являются нейротоксинами, которые связываются с рецепторными белками клеточной мембраны, особенно с никотиновыми рецепторами ацетилхолина . Другие, включая вторую по величине подгруппу 3FTx, относятся к кардиотоксинам . [2]
Многие из наиболее хорошо охарактеризованных белков 3FTx проявляют свои токсические эффекты за счет связывания с никотиновыми рецепторами ацетилхолина (nAChR), семейством лиганд-управляемых ионных каналов . Связывание 3FTx препятствует передаче холинергических межклеточных сигналов, особенно в нервно-мышечных соединениях, и вызывает паралич . Семейство альфа-нейротоксинов представляет собой группу белков 3FTx, которые связывают мышечные nAChR , предотвращая связывание нейромедиатора ацетилхолина . [2] Альфа-бунгаротоксин , альфа-нейротоксин из многополосного крайта (Bungarus multicinctus ), имеет долгую историю использования в исследованиях молекулярной биологии ; именно благодаря изучению этого токсина были выделены и охарактеризованы nAChR, что облегчило изучение субъединичного состава тканеспецифичных nAChR и детальное фармакологическое понимание нервно-мышечного соединения . [11] В целом, короткоцепочечные 3FTx члены этой группы связывают только мышечные nAChR, а длинноцепочечные члены связывают как мышечные, так и нейрональные рецепторы. Эту группу 3FTx иногда называют «кураремиметическими» токсинами из-за сходства их действия с растительным алкалоидом кураре . [2]
Другие группы белков 3FTx также связываются с разными подтипами nAChR; например, каппа-нейротоксины , которые представляют собой димеры с длинной цепью, связывают нейрональные nAChR, а хадитоксин , который представляет собой димер с короткой цепью, связывает как мышечные, так и нейрональные подтипы. Нетрадиционные белки 3FTx также часто связывают nAChR; При первом открытии считалось, что это более слабые токсины, но было обнаружено, что этот класс обладает определенным сродством связывания . [2] Недавно был описан новый класс белков 3FTx-антагонистов nAChR, называемых омега-нейротоксинами. [12]
Меньший класс белков 3FTx вместо этого связывается с мускариновыми рецепторами ацетилхолина , семейством рецепторов , связанных с G-белками . Мускариновые токсины могут быть либо агонистами рецепторов, либо антагонистами рецепторов , и в некоторых случаях один и тот же белок 3FTx является агонистом одного подтипа рецептора и антагонистом другого. Мускариновые токсины обычно имеют короткоцепочечный тип. [2]
Класс белков 3FTx, называемых фасцикулинами, связывает фермент ацетилхолинэстеразу и ингибирует его активность, блокируя доступ ацетилхолина к активному центру фермента , тем самым предотвращая распад ацетилхолина. Этот класс получил свое название из-за своего клинического эффекта, вызывающего мышечные фасцикуляции . [2] [13]
Второй по величине класс белков 3FTx вызывает токсичность в сердечных миоцитах и может вызывать учащение пульса и, в конечном итоге, остановку сердца . Эти кардиотоксины также часто обладают общим цитотоксическим действием и иногда называются цитолизинами. Белки-мишени в миоцитах этого класса обычно не известны, хотя некоторые члены могут вызывать физическое повреждение клетки, создавая поры в клеточной мембране . [2]
Другой класс, называемый бета-кардиотоксинами , вызывает снижение частоты сердечных сокращений и, как считается, действует как бета-блокаторы , антагонисты бета-1 и бета-2 адренергических рецепторов . [2] [14]
Известны белки 3FTx, которые нацелены на множество дополнительных белковых мишеней для оказания своих токсических эффектов. Например, кальциептином нацелены кальциевые каналы L-типа, а агрегация тромбоцитов ингибируется посредством взаимодействия с белками адгезии дендроаспином и родственными белками. [2] В некоторых случаях не наблюдается токсичности в результате взаимодействия 3FTx-мишень; например, mambalgin семейство белков 3FTx взаимодействует с кислотно-чувствительных ионных каналов для получения анальгезии без видимого токсического эффекта в лабораторных тестах. [15]
Исследования известных белковых последовательностей , основанные на биоинформатике , часто выявляют ряд последовательностей, которые могут образовывать структуру белка 3FTx, но функция которых не была экспериментально охарактеризована. Таким образом, неизвестно, являются ли эти «сиротские» белки на самом деле токсинами или каковы их клеточные мишени. [2] [16] Геномические исследования экспрессии генов у змей показали, что члены белковых семейств, традиционно считающихся токсинами, широко экспрессируются в тканях тела змей, и что этот паттерн экспрессии встречается за пределами очень ядовитого надсемейства Caenophidia . [17]
Поскольку белки 3FTx схожей структуры связывают широкий спектр клеточных белковых мишеней, взаимосвязь между последовательностью белка 3FTx и их биологической активностью широко изучена, особенно среди альфа-нейротоксинов . Известные функциональные сайты, придающие аффинность и специфичность связывания , сосредоточены в петлях белков 3FTx. [2] Например, кристаллическая структура из альфа-бунгаротоксина в комплексе с внеклеточным доменом из альфа-9 нАХР субъединицы указывает на белок-белковое взаимодействие опосредуется через петли I И II, без каких - либо контактов , образованных петли III. [18]Поверхности взаимодействия были нанесены на карту для ряда токсинов и варьируются в зависимости от того, какие петли участвуют в связывании; [2] эрабутоксин A использует все три петли для связывания nAChR [19], в то время как взаимодействие дендроаспина с белками адгезии опосредуется тремя остатками в петле III. [20] В некоторых белках 3FTx с С-концевым удлинением эти остатки также участвуют в формировании ключевых связывающих взаимодействий. [2]
Cardiotoxin / Цитолизин 3FTx подгруппа имеет несколько иного набор функционально значимых остатки из - за свой специфический механизм действия, вероятно , с участием взаимодействия с фосфолипидами в клеточной мембране , [21] , а также возможные функционально значимые взаимодействия с другими молекулами клеточной поверхности , такими как гликозаминогликаны . [22] гидрофобным участок остатков смежных в третичной структуре , но распределенных по всем трем петлями был идентифицирован как функционально значимым в сочетании с набором законсервированных лизина остатков , придающих локальный положительный заряд. [2]
Из-за их структурного сходства и функционального разнообразия белки 3FTx использовались в качестве модельных систем для изучения белковой инженерии . [23] Их высокая специфичность связывания с мишенями, представляющими фармакологический интерес, отсутствие ферментативной активности и низкая иммуногенность также вызвали интерес к их потенциалу в качестве лекарственных препаратов . [24] [25] [4]
Хотя трехпальцевые белки в целом широко распространены среди многоклеточных животных , трехпальцевые токсины появляются только у змей . [4] [17] Обычно считается, что они принадлежат к линии Caenophidia (таксон, содержащий все ядовитые змеи), хотя по крайней мере один предполагаемый гомолог 3FTx был идентифицирован в геноме бирманского питона , члена сестринского таксона. . [17] Ранняя работа по анализу гомологии белков путем выравнивания последовательностей в 1970-х годах предполагала, что белки 3FTx, возможно, произошли от предковой рибонуклеазы ; [26]однако более поздние исследования молекулярной филогении показывают, что белки 3FTx произошли от нетоксичных белков с тремя пальцами. [16] [27] [28]
Среди ядовитых змей распределение белков 3FTx варьирует; они особенно обогащены ядом семейства Elapidae . [4] У королевской кобры ( Ophiophagus hannah ) [29] и восточной зеленой мамбы ( Dendroaspis angusticeps ) [30] белки 3FTx составляют около 70% белковых токсинов в яде; среди пустынных коралловых змей ( Micrurus tschudii ) эта доля достигает 95%. [31]
Считается, что гены, кодирующие трехпальцевые токсины, эволюционировали в результате дупликации генов . [27] Традиционно это концептуализировалось как повторяющиеся события дупликации, за которыми следует неофункционализация и рекрутирование в паттерны экспрессии генов , ограниченные ядовитыми железами. [27] [29] [32] Однако утверждалось, что этот процесс должен происходить крайне редко и что субфункционализация лучше объясняет наблюдаемое распределение. [33] Совсем недавно было обнаружено, что нетоксичные белки 3FP широко экспрессируются во многих различных тканях.у змей, что побудило к альтернативной гипотезе о том, что белки с ограниченной экспрессией в слюне были избирательно задействованы для токсической функциональности. [17] Есть свидетельства того, что большинство типов белков 3FTx подвергались положительному отбору (то есть диверсифицирующему отбору) в своей недавней эволюционной истории [34], возможно, из-за эволюционной гонки вооружений с видами-жертвами. [28] [29] Заметными исключениями являются димерное семейство каппа-бунгаротоксинов , вероятно, в результате эволюционных ограничений на интерфейс димеров, и семейство кардиотоксин / цитотоксин, в котором большая часть остатков белка, как полагают, играет функциональную роль. .[34]