БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2014, том 40, № 4, с. 387-398
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 615.919:595.46-114.52
ХЛОРОТОКСИН И РОДСТВЕННЫЕ ПЕПТИДЫ - КОРОТКИЕ ИНСЕКТОТОКСИНЫ ИЗ ЯДА СКОРПИОНОВ
© 2014 г. А. А. Арзамасов#, А. А. Василевский, Е. В. Гришин
ФГБУНИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН,
117997 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 Поступила в редакцию 25.12.2013 г. Принята к печати 11.02.2014 г.
Яд скорпионов представляет собой сложную многокомпонентную смесь биологически активных веществ, некоторые из которых обладают весьма интересными свойствами и находят свое применение в совершенно неожиданных областях. Примером служит семейство хлоротоксин (СТХ)-подоб-ных пептидов. Это токсины, обладающие инсектицидной активностью, однако их молекулярный механизм действия на организм насекомых пока не установлен. Тем не менее, СТХ-подобные пептиды оказались объектом пристального изучения, поскольку они специфично взаимодействуют с клетками злокачественных опухолей мозга — глиом. В перспективе данные соединения могут существенно упростить лечение опухолевых заболеваний. В обзоре суммируются результаты, накопленные за сорокалетний период изучения СТХ-подобных пептидов. Рассмотрены аспекты их природной функции, а также область применения, связанная с глиомами.
Ключевые слова: инсектотоксины, нейротоксины, яд скорпионов, глиомы, лечение опухолевых заболеваний.
БО1: 10.7868/80132342314040010
ВВЕДЕНИЕ
Данная обзорная статья посвящена семейству хлоротоксин (СТХ)-подобных пептидов из яда скорпионов.
Скорпионы представляют собой одну из древнейших групп наземных членистоногих, возраст которой составляет примерно 400 миллионов лет. Хотя за это время морфология скорпионов изменились лишь незначительно [1], недавно опубликованные результаты секвенирования генома скорпиона МезоЬШкш таНети показывают, что их генетический материал менялся достаточно быстро [2]. В ходе эволюции состав яда скорпионов совершенствовался для выполнения своей основной функции — парализации и убийства жертвы, а также для защиты от агрессоров. Яд скорпионов содержит множество разнообразных компонентов, многие из которых действуют на различные системы мембранного транспорта, главным образом ионные каналы. Кроме того, яд скорпионов можно рассматривать как своеобразную комбинаторную библиотеку, отредактированную мил-
Сокращения: СТХ — хлоротоксин; СИТХ — харибдотоксин; С8а/Р — мотив "цистеин-стабилизированных-а-спирали-Р-слоя"; ЛД50 — полулетальная доза; ПЭ — паралитический эффект; МГБ — мультиформная глиобластома; ММР-2 — матриксная металлопротеиназа 2. # Автор для связи (тел.: +7(495) 336-65-40; эл. почта: то(!еш-х @Ио11таП.сот).
лионами лет эволюции, поскольку для родственных компонентов яда характерен единый остов и многочисленные и разнообразные модификации.
Что интересно, для некоторых биологически активных веществ из такой библиотеки обнаруживаются совершенно необычные области применения. Примером служит семейство СТХ-по-добных пептидов, обладающих инсектицидной активностью. Молекулярная мишень данных токсинов не установлена, однако неожиданно они нашли свое применение в области, связанной со злокачественными опухолями мозга — глиомами.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ СОСТАВ ЯДА СКОРПИОНОВ
В настоящий момент известно около 1500 видов скорпионов, их систематика постоянно обновляется. Только ~50 из этих видов представляют опасность для человека. Почти все они, кроме скорпионов рода Нет1зсогрш8, принадлежат к семейству ВиЫёае [1]. К сожалению, тщательно молекулярный состав яда был исследован лишь у немногих видов, так как чаще всего для исследований выбираются те скорпионы, ареал обитания которых наиболее удобен для работы. Это обстоятельство несколько затрудняет получение сведений об общих для всех скорпионов особенностях.
Яд скорпионов представляет собой крайне сложную смесь различных компонентов. В их число входят мукополисахариды, пептиды, низкомолекулярные соединения, такие как соли, нуклео-тиды, биогенные амины [3]. Кроме того, в состав яда некоторых скорпионов входят ферменты, например фосфолипазы [4, 5] и гиалурононидазы [6], а также различные металлопротеазы [7, 8].
Главными компонентами яда скорпионов являются разнообразные пептиды, которые в зависимости от наличия дисульфидных мостиков можно разделить на две группы.
К первой группе относятся пептиды длиной ~10—50 а.о. без внутримолекулярных дисульфид-ных связей. Пептиды этой группы обладают антимикробной и гемолитической активностью. Кроме того, к этой группе относятся токсины с бра-дикининпотенцирующей активностью [9].
Ко второй, наиболее изученной группе, относятся пептиды, содержащие внутримолекулярные дисульфидные связи. Большинство пептидов этой группы являются нейротоксинами, специфичными к определенным ионным каналам электровозбудимых мембран. Они предназначены для обездвиживания жертвы, а также для защиты от хищников.
На самых ранних этапах изучения нейроток-синов их в основном классифицировали по длине полипептидной цепи и специфичности действия на различные группы организмов. Поэтому появились такие понятия как длинные (~60—75 а.о.) и короткие (~25—40 а.о.) токсины. Кроме того, оказалось, что одни токсины оказывают действие только на млекопитающих (млекотоксины), вторые — только на насекомых (инсектотоксины), третьи — на обе группы. Позднее к критериям классификации добавились тип пространственной укладки и молекулярная мишень действия. Комбинируя вышеперечисленные параметры, можно выделить следующие группы токсинов.
Так, в одну группу выделяют длинные токсины, содержащие ~60—75 а.о. с 4 дисульфидными мостиками, и действующие на потенциал-зависимые натриевые каналы мышечных и нервных клеток. В зависимости от эффекта их подразделяют на а- и Р-токсины. а-Токсины блокируют инактивацию натриевых каналов. Токсины с Р-эф-фектом модулируют активность канала, сдвигая порог активации в более отрицательную область мембранного потенциала. Такой сдвиг провоцирует спонтанную активацию каналов, вызывая деполяризацию электровозбудимой мембраны. Различие в эффектах а- и Р-токсинов объясняется тем, что они взаимодействуют с разными участками натриевого канала: а-токсины связываются с так называемым рецепторным сайтом 3, а Р-токсины — с сайтом 4 [10, 11].
Другую большую группу составляют токсины, специфично воздействующие на потенциал-зависимые и кальций-активируемые калиевые каналы. Они содержат ~20—40 а.о. с 3—4 дисульфид-ными мостиками. Классификация токсинов, действующих на калиевые каналы, достаточно сложна и основывается на типе их пространственной укладки и сходстве аминокислотных последовательностей [12].
Остальные группы нейротоксинов относительно малочисленны: это токсины, специфично действующие на кальциевые каналы [13], а также группа так называемых коротких инсектотокси-нов, или СТХ-подобных пептидов, являющихся предметом рассмотрения данного обзора.
История изучения CTX-подобных пептидов
Наиболее известный пептид данного семейства, хлоротоксин (СТХ), был выделен из яда скорпиона Leiurus quinquestriatus quinquestriatus [14]. Свою известность СТХ во многом получил благодаря "говорящему" названию — он был преподнесен миру как первый специфичный ингибитор хлоридных каналов пептидной природы.
Однако СТХ был далеко не первым выделенным пептидом настоящего семейства. Так, в середине 70-х годов ХХ века в ИБХ АН СССР из яда скорпиона Mesobuthus eupeus был выделен инсек-токсин 11, состоящий из 36 а.о. [15]. По своему аминокислотному составу, а также по расположению остатков цистеина он заметно отличался от ранее выделенного длинного (около 60 а.о.) ин-сектотоксина из яда Androctonus australis [16]. Столь сильные различия аминокислотных последовательностей позволили отнести 11 к новому структурному классу токсинов скорпионов — так называемых коротких инсектотоксинов [15]. Позднее из яда M. eupeus были выделены и охарактеризованы гомологи 11: 13, 14, 15, 15А [17— 19]. Кроме этого, токсин 15А стал первым членом семейства, для которого была установлена пространственная структура методом ЯМР [20, 21]. К сожалению, установить механизм инсек-тотоксичности, а именно определить молекулярную мишень данных токсинов не удалось. Стоит отметить, что с конца 80-х годов инсектицидная активность СТХ-подобных пептидов практически не исследовалась.
Вторая волна исследований коротких инсек-тотоксинов началась после открытия СТХ в начале 90-х годов. Сообщалось, что он специфически ингибирует хлоридные токи в клетках астроцито-мы [22]. Позднее было показано, что он специфично присоединяется к клеткам глиом [23]. С тех пор и до настоящего времени область, связанная с действием СТХ-подобных пептидов на глиомы, бурно развивалась. И, в первую очередь,
Таблица 1. Сравнение аминокислотных последовательностей СТХ-подобных пептидов
Пептид
Аминокислотная последовательность*
Степень подобия СТХ, % Ссылка
100 [14]
82 [26]
80 [19]
80 [19]
79 [27]
77 [20]
77 P86401#
77 [18]
76 [25]
74 [30]
71 [15]
69 P86402#
68 [29]
65 [31]
63 [28]
62 [26]
СТХ Bs8
14 I3
Lqh 8/6 I5A
MeuClTx
15
GaTxl
BmKCT
I1
MeuClTx-1 P2
BTCh12
AaCtx
Bs14
Консенсус
10
15
20
25
30
35
R-
GYD-APY-
mcmpcfttdMviaBkcídccggkgrgkcygpqclc 1cípcfttdp1xiíkkc|dccggkgBkc|gpqclc mcmpcfttd»makkcrdccgg|g--kcfgpqclcnr— mcmpcftt:;hqtarrcpdccgg|g-|rkcfgíqclc 1c1pcfttdB®íkc|dccggkgHkc1gpqc|c mcmpcfttdpnmakkcrdccgg|g--kcfgpqclcnr— mcmpcfttdInmakkcrdccggIg—kcfgIqclcnr
MCMPCFTT DPNMAgKCRDCCGG pcftt:>hq:-:eqkcabccgg
pBfttcBnmaPkcre]cc|gg
MCMPCFTTiPr MCMPCFTTRP |C|PCFTTDPYTES RCGPC FTTDрЩЩЦкСН KCIPCFTTIpnM.
Gf|--KCjFGPQCLCNR— IG--KCÍGPQCLCNR— IG--KCFGPQCLCNP1" |r1cc|g| G-- KCFGPQCLCj с rdccggng-- kcfgIqclcnr— kcatccgg|g--kcmgpqclcnj-,i -
KCNACCG
IcIpcftIdpHHkkca'i ccg
ClGPQC
c|gpqc| g--|cfgpqclcnrB
MCMPCFTTDPNMAKKCRDCCGGKG--KCFGPQCLCNR—
* Светло-серым цветом отмечены остатки цистеина, темно-серым следовательности показано расположение дисульфидных связей.
# Номер в базе белковых последовательностей ишРго1
отличающиеся от общей формулы. В консенсусной по-
это обусловлено возможным практическим примене
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.