Еволюційна «гонка озброєнь»: нейротоксини проти іонних каналів

У південно-африканській савані леви переслідують медоеда, гепард - антилопу, не маючи початкової гарантії на успіх ... Жертва - хижак. Еволюція удосконалює і того і іншого, наділяючи спритністю, маневреністю, умінням швидко бігати.

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Сигнали передаються по нервової мережі завдяки потенціалу дії, що поширюється уздовж нейрона. Цей процес починається з активації потенціал-чутливих натрієвих каналів. Канал складається з чотирьох схожих фрагментів-повторів (а), позначених I -

Отруйні тварини - джерела «класичних» нейротоксинов. Тетродотоксин з риби фугу блокує пору потенціал-чутливого натрієвого каналу, зв'язуючись з позаклітинної боку.

У скорпіонів є α-токсини - невеликі білки, що складаються з β-листа і α-спіралі, скріплених дисульфідними зв'язками.

<

>

Незважаючи на детальне опрацювання теорії еволюції професіоналами і численні приклади, що увійшли в підручники і популярну літературу, втілення еволюційного процесу часто настільки химерно, що дослідження змін в живих організмах може бути цікаво не тільки вченим-теоретикам. Відомо, що у еволюції немає волі і мети: живі організми змінюються, щоб залишити максимальну потомство, а не щоб досягти абстрактного досконалості. Так, еволюційно прогресивним ознакою вважається той, який дозволяє краще пристосуватися до навколишніх умов в даний момент, а не краса або складність пристрою самі по собі.

Наприклад, антарктична крижана риба втратила гени гемоглобіну через те, що в умовах її існування, при температурах близьких до нуля і навіть нижче нуля розчинність кисню у воді досить висока, щоб забезпечувати тканини цим газом просто за рахунок дифузії і посилення кровотоку. Можна сказати, що в цьому випадку риба «економить» на гемоглобіні. Інші риби, які живуть в печерах або мешкають на дуже великих глибинах, майже завжди за непотрібністю втрачають зір. Ступінь спрощення будови паразитичних організмів взагалі вражає уяву, причому в разі бактерій це призводить до кардинального спрощення всього генетичного апарату: наприклад, геном мікоплазми - бактерії, що не має клітинної стінки, містить всього біля 500 генів. А у Candidatus Carsonella ruddii - бактерії, що живе всередині клітин листоблошек, і зовсім 182 гена. І все перераховане - прогресивні ознаки, оскільки вони дозволили згаданим організмам максимально пластично адаптуватися до обстановки, в якій мешкають. Більш відомий (і більш «благородний») приклад - еволюція людини, де розвиток пішов шляхом ускладнення нервової системи і здатності до комунікації, а також до становлення багатої культури, сучасний стан якої ми маємо задоволення щодня спостерігати навколо. Одночасно зросла роль статевого відбору і освіти сімей, - і все це теж витівки еволюції.

Уроки «холодної війни». Принцип Чорної королеви

Друга половина XX століття крім чудових відкриттів в молекулярної біології була ознаменована «холодною війною» - глобальної конфронтацією між соціалістичним і капіталістичним ладом. Це протистояння породило ефект «гонки озброєнь» - процес боротьби за військову перевагу з позитивним зворотним зв'язком, що викликав гіпертрофію військово-промислових комплексів СРСР і США.

Схожий ефект спостерігається і в процесі коеволюції (спільної еволюції) двох видів, пов'язаних один з одним. Зміна одного з видів неминуче тягне зміну іншого для збереження паритету або отримання переваги. Найпростіший приклад - газелі і гепарди. І тим і іншим доводиться бігати з покоління в покоління все швидше і швидше: одним - щоб залишитися в живих, іншим - щоб вгамувати голод.

Підкреслюючи паралель з «холодною війною», біологи ввели поняття еволюційної «гонки озброєнь» (англ. Evolutionary arms race), приписуючи даному процесу роль найважливішої рушійної сили еволюції. Більш строго це поняття сформульовано у формі принципу Чорної королеви, який стверджує, що в коеволюційний відносинах кожному з видів доводиться «бігти щодуху, щоб тільки залишитися на тому ж місці» (цитата з «Аліси в Задзеркаллі», вдало передає суть принципу). Пряме експериментальне підтвердження принципу Чорної королеви отримано на мікроскопічних рачках Дафна і їх паразитичних бактерій: «воскресивши» з донного мулу кілька поколінь тих і інших, біологи показали, що найнебезпечніші для дафній паразити - сучасні їм, тоді як минулі і майбутні популяції бактерій заражали рачків з меншою ефективністю.

Око за око, ген за ген

Хороший приклад еволюційної «гонки озброєнь» - рослини з їх паразитами. У багатьох випадках спостерігається суворе відповідність системи стійкості рослини системі вірулентності (заразність) його паразита. Більш того, це відповідність зводиться всього лише до двох генам: гену рослини, що дозволяє протистояти зараженню (гену резистентності R), і гену паразита, необхідного для інфекції (гену авірулентності Avr). Такі міжвидові відносини отримали назву «ген за ген» (англ. Gene-for-gene). Рослини, що містять ген R, виявляються стійкими по відношенню до паразитам з відповідним геном Avr. Як правило, гени резистентності рослин кодують білки-рецептори, детектирующие поява паразита. Тепер паразит прагне змінити свій Avr-ген так, щоб вислизнути від впізнавання рецептором рослини. І навпаки, рослина змінює свій R-ген, щоб як і раніше детектувати зараження.

Одне з найбільш прогресивних еволюційних придбань вищих хребетних - розвинена імунна система, заснована на принципі комбінаторики і дозволяє протистояти практично будь-якого чужорідного організму. Однак бактерії і віруси не здаються, їм теж є що пред'явити зі свого арсеналу. Добре відомий приклад - постійно мутуючий вірус грипу, до якого необхідно отримувати все нові і нові вакцини. Інший, не менш вражаючий, приклад - явище «зміни фаз» у бактерій, що полягає в випадковій зміні фенотипу з високою частотою, набагато перевищує частоту звичайних мутацій. Так, сальмонели використовують цей прийом для заміни білка флажеліну, з якого побудовані бактеріальні джгутики і який служить сигналом для запуску імунологічних реакцій. Тільки у господаря розвинеться імунну відповідь, як сальмонела змінює тип флажеліну і вислизає!

отруйний арсенал

Мабуть, найефективнішим засобом як нападу, так і захисту служать отрути, які в процесі еволюції навчилися виробляти найрізноманітніші тварини: багато кишковопорожнинні, членистоногі, молюски, хордові і інші. Присутні на отруті молекули називають токсинами, а в тому окремому (але поширеному) випадку, коли мішенню їх дії служить нервова система і / або м'язи, - нейротоксинами.

Склад отрути тварин різний: якщо, припустимо, в отруті бджоли присутні всього два основних компоненти - мембрано-активний пептид меліттін і гидролизующий ліпіди фермент фосфолипаза A2, то в отруті павуків, скорпіонів, морських анемона і конусів, а також змій містяться десятки, а іноді сотні або навіть тисячі компонентів різної хімічної природи. Спостережуване в отруті різноманітність компонентів одного структурного типу сьогодні прийнято описувати терміном «еволюційно відредагована комбінаторна бібліотека». Молекули, що становлять бібліотеку, володіють різною ефективністю і специфічністю щодо різних рецепторів, а результуюча суміш токсинів ефективна щодо широкого кола мішеней.

Еволюційну перевагу багатого арсеналу - здатність «слідувати» за жертвою: коли їхня мета дії основного компонента отрути почне вислизати (наприклад, рецептор мутує), в отруті з великою ймовірністю виявиться слабо представлений, але більш активний по відношенню до нової форми рецептора токсин і тепер уже йому судилося стати основою «озброєння» у майбутніх поколінь отруйних хижаків.

«Обов'язково захопіть телеграф!»

Як вже було сказано, частою мішенню дії отрут є нервова система, а тому основа арсеналу багатьох отруйних гадів - нейротоксини. Пов'язано це, мабуть, з тим, що порушити роботу складної системи найпростіше, знищивши комунікацію, що було відзначено ще в роботах Леніна, який рекомендував у разі захоплення влади в першу чергу взяти під контроль телефон, телеграф і залізничні станції. «Телеграф» нашого організму - нервова мережа, передача повідомлень в якій заснована на феномені потенціалу дії, що поширюється уздовж мембран нейронів. У стані спокою підтримується певна різниця концентрацій іонів (Na +, K +, Ca2 +, Cl-) всередині нейронів і зовні і формується потенціал спокою. Робочими елементами потенціалу дії служать іонні канали - мембранні білки, які пропускають ті чи інші іони по команді. Зокрема, починається потенціал дії з активації потенціал-чутливих натрієвих каналів (ПЧНК), що відкриваються у відповідь на зменшення трансмембранної різниці потенціалів (деполяризацію). Цікаво, що поява таких каналів в еволюції тварин тісно пов'язане з диференціюванням тканин і відокремленням нервової системи. Про них і поговоримо докладніше, залишивши інші канали за рамками статті.

Кожен ПЧНК складається з дуже довгою поліпептидного ланцюга (близько двох тисяч залишків амінокислот), яка представлена ​​чотирма схожими фрагментами - повторами ланцюга. При цьому в просторі канал складається з п'яти частин (або доменів). В освіті єдиного пóрового домену беруть участь всі повтори поліпептидного ланцюга, в його центрі формується селективна для іонів Na + пора. Чотири - по одному від кожного повтору - потенціал-чутливих домену розташовані навколо центрального пóрового домену. Функція потенціал-чутливого домену - реагувати на зміну мембранного потенціалу і передавати команду на відкриття пори.

ПЧНК - ключовий компонент передачі нервових імпульсів, а значить, і роботи нервової системи взагалі. Очевидно, саме цим обумовлено існування величезного числа токсинів, що зв'язуються з ПЧНК і так чи інакше порушують їх роботу. У свою чергу порушення роботи ПЧНК призводить до паралічу, судом, а смерть настає, як правило, від зупинки дихання. Наприклад, тетродотоксин, що міститься в знаменитому японському делікатес - рибі фугу і в деяких інших тварин, блокує пору натрієвого каналу подібно пробці. Цікаво, що деякі тритони використовують тетродотоксин для захисту від хижаків, а полюють на цих тритонів змії набувають стійкості в результаті мутації генів ПЧНК. До блокаторів ПЧНК відносяться невеликі пептиди μ-конотоксин, є зброєю морських молюсків-конусів. Місцеві анестетики, такі як новокаїн і лідокаїн, теж є блокаторами ПЧНК: їх місцеве застосування призводить до блокади чутливих нейронів.

Але не всі токсини блокують канал: є і такі, які його активують, тобто збільшують час, коли канал перебуває у відкритому стані. Приклад таких молекул - батрахотоксин, що міститься в секреті шкірних залоз деяких південноамериканських жаб-листолазів. Поширені інсектициди піретроїди також відносяться до активаторам ПЧНК.

В отруті скорпіонів є α- і β-токсини. Вони являють собою невеликі білки (~ 60-70 амінокислотних залишків), в структурі яких присутня β-лист з трьох тяжів і коротка α-спіраль, скріплені чотирма дисульфідними зв'язками. Хоча і ті і інші токсини, по суті, активують канал, роблять вони це по-різному: α-токсини заважають каналу закритися, а β-токсини допомагають йому відкритися. Відповідно і місця взаємодії з ПЧНК у цих токсинів різні: і ті й інші зв'язуються з потенціал-чутливих доменом, але для α-токсинів це домен IV, а для β-токсинів - домен II.

Зупинимося докладніше на α-токсинах і на їх «взаємовідносинах» з ПЧНК. Справа в тому, що в отруті скорпіонів присутні молекули, що володіють токсичною дією по відношенню до комах або ссавців (назвемо відповідні α-токсини інсектотоксінамі і млекотоксінамі). І ті й інші зв'язуються з потенціал-чутливих доменом IV, але тільки у різних каналів. У комах це свій канал, званий Para, а у ссавців є цілих дев'ять різновидів каналів, які охоплюють Nav1.1-1.9. Різні ПЧНК ссавців виконують різні функції. Наприклад, Nav1.2 характерний для центральної нервової системи, Nav1.4 - для скелетної мускулатури, Nav1.5 - для серця. А далі в хід йде згадана «комбінаторна бібліотека» отрути скорпіонів, в якій може знайтися молекула, активна по відношенню до обраної мішені. Якщо це відбувається, «власник» такої отрути отримує еволюційну перевагу в порівнянні з іншими і та частина його генома, яка відповідає за склад «отруйної бібліотеки», широко поширюється в майбутніх поколіннях скорпіонів.

Присутні в отруті скорпіонів нейротоксини відрізняються різноманітністю: деякі з них можуть бути спрямовані виключно на канали комах (інсектотоксіни), тоді як інші діють на канали ссавців (млекотоксіни). Є також молекули, що діють відразу і на ті, і на інші ПЧНК. Що лежить в основі молекулярної еволюції цих токсинів і дозволяє їм наздогнати відразу за безліччю вислизають мішеней? Спробуємо відповісти на це питання.

Комп'ютерний аналіз виявляє молекулярну «гонку озброєнь»

В Інституті біоорганічної хімії ім. М. М. Шемякіна і Ю. А. Овчинникова РАН (ІБХ РАН) було проведено дослідження особливостей млеко- і інсектотоксінов з отрути скорпіонів, що визначають їх селективна взаємодія з відповідними ПЧНК. Робота складалася з двох частин.

Комп'ютерний аналіз структури і динаміки дозволив виявити характерні особливості млеко- і інсектотоксінов і передбачити активність «сирітського» токсину з невідомої селективність. Ця частина роботи зроблена в лабораторії моделювання біомолекулярних систем.

Потім передбачення перевірили в лабораторії нейрорецепторов і нейрорегулятора: був синтезований «сирітський» токсин і досліджена його специфічність.

Комп'ютерне моделювання грунтувалося на методі молекулярної динаміки. Встановлено, що молекули α-токсинів, незважаючи на свій невеликий розмір і жорстку структуру, складаються з двох динамічних модулів. Аналіз характерних рухів показав, що один з цих модулів досить «жорсткий», а інший - досить «пластичний». Більш того, руху «пластичного» модуля розрізняються у млеко- і інсектотоксінов.

Ідентифіковані за допомогою молекулярної динаміки частини молекул отримали назву «серцевинних модуль» і «модуль специфічності». Серцевинний модуль α-токсинів виявляється еволюційно консервативним (дуже схоже влаштованим у інсекто- і млекотоксінов), а модуль специфічності - варіабельний, відповідним конкретної мішені дії. Серцевинний модуль, таким чином, відповідає за розпізнавання ПЧНК взагалі, а швидко змінюється в еволюції модуль специфічності дозволяє токсину «налаштовуватися» на конкретний тип каналу.

Було такоже Виявлено, что модуль спеціфічності млекотоксінов істотно більш гідрофільній ( «любляча воду», что віддає предпочтение водні розчини), чем у інсектотоксінов. Ця особлівість, імовірно, відображає структурні детермінанті, что дозволяють токсінів вібірково розпізнаваті свои мішені. Що цікаво, аналіз властівостей ПЧНК показавши ту ж тенденцію для позаклітінної части S5-S6 повтору I: у каналів ссавців ЦІ області більш гідрофільніх, чем у каналів комах. Зіставлення результатів АНАЛІЗУ з Накопичення біохімічнімі данімі дозволило Запропонувати цікавий характер зв'язування α-токсінів з ПЧНК. Серцевина модуль, мабуть, Взаємодіє з Потенціал-чутлівіх доменом IV, в тій годину як модуль спеціфічності зв'язується з петлею S5-S6 повтору I. дані області в структурі ПЧНК збліжені, что такоже Було показано в незалежних експеримент. Ідея відповідності модульної організації токсинів доменної структурі каналів має цікавий еволюційний сенс, що дозволяє нам розглядати «гонку озброєнь» в протистоянні отруйних тварин і їх жертв. Модульна структура, імовірно, дозволяє токсинів гнучко адаптуватися до мінливих мішені.

Комп'ютерний аналіз може бути використаний для передбачення активності токсинів з невивченими властивостями. Зокрема, для токсину M9 з отрути середньоазіатського скорпіона Mesobuthus eupeus, що став першим нейротоксином з скорпионьего отрути, для якого була встановлена ​​просторова структура (до речі, це теж зроблено в ІБХ), передбачена активність щодо каналів як ссавців, так і комах. Біоінженерних синтез і тестування активності цього токсину на рекомбінантних ПЧНК підтвердили висловлене припущення. Результати представленої роботи опубліковані в журналі «The Journal of Biological Chemistry». Еволюційний відокремлення модулів α-токсинів, схоже, викликане вимогами «гонки озброєнь» - необхідністю оперативно адаптуватися слідом за умов середовища: появою нових мішеней і зміною старих. Навряд чи цей підхід універсальний, але в даному випадку він дозволив з нового боку поглянути на взаємозв'язок структура - функція для біологічно активних пептидів.

Біоінженерія та нейробиология

Вивчення молекулярних основ еволюційної «гонки озброєнь» має не тільки фундаментальне значення. Наприклад, заново створені «дизайнерські» молекули - аналоги нейротоксинов із заданою дослідниками активністю - стануть ідеальними інструментами дослідження нервової системи. Такі молекули дадуть можливість прицільно регулювати роботу іонних каналів і модифікувати нервовий відповідь бажаним чином.

Додання нейротоксин бажаної селективності і видоспецифічності дозволить, наприклад, створити інсектицид нового покоління. Біоінженерних виготовлений або навіть впроваджений в геном рослин інсектотоксін буде ефективно боротися з комахами-шкідниками. А можна уявити собі можливість створення ідеально селективного інсектотоксіна, чинного на шкідників і нетоксичного для корисних комах (наприклад, бджіл).

Нарешті, ідеально селективні нейротоксини - вже не отрути, а точно настроюються Нейрорегулятори - знайшли б застосування в молекулярній медицині для лікування захворювань, пов'язаних з дисфункцією іонних каналів і званих каналопатій. Серед них - різні неврологічні і психічні розлади, а також патології скелетної та серцевої мускулатури.

Стаття - лауреат конкурсу науково-популярних статей Російського фонду фундаментальних досліджень (проект № 13-04-11520).

Робота підтримана грантом Російського фонду фундаментальних досліджень № 11-04-01606.

Додаткова література по темі статті:

« Подібно до великого комбінатора і не снилося: комбінаторика токсинів павуків ». Сайт Biomolecula.ru.

« Про що не знав Гальвані: просторова структура натрієвого каналу ». Сайт Biomolecula.ru.

Pashkov VS, Maiorov VN, Bystrov VF, Hoang AN, Volkova TM, Grishin EV Solution spatial structure of 'long' neurotoxin M9 from the scorpion Buthus eupeus by 1H-NMR spectroscopy // Biophys. Chem. 31 (1988), 121-131.

Chugunov AO, Koromyslova AD, Berkut AA, Peigneur S., Tytgat J., Polyansky AA, Pentkovsky VM, Vassilevski AA, Grishin EV, Efremov RG Modular organization of α-toxins from scorpion venom mirrors domain structure of their targets, sodium channels // J. Biol. Chem. 288 (2013), 19014-19027.