БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2015, том 41, № 5, с. 511-523
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 577.112.5
СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЦИСТЕИН-БОГАТЫХ ПОЛИПЕПТИДОВ ИЗ ЯДОВ МОРСКИХ АНЕМОН1
© 2015 г. А. Н. Миков#, С. А. Козлов
ФГБУНИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН,
117997, Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 Поступила в редакцию 31.03.2015 г. Принята к печати 22.04.2015 г.
В настоящий момент поиск новых лекарств на основе ядов животных (venom-based drug discovery) переживает второе рождение: фармкомпании постепенно осознают потенциал ядов животных как комбинаторных библиотек биологически-активных веществ. Морские анемоны — животные, которые производят наиболее разнообразные по структуре полипептидные компоненты яда, что отличает их от большинства других ядовитых животных. В обзоре рассмотрены известные полипептидные токсины из ядов морских анемон, в первую очередь, с учетом их классификации по структурным признакам. Внутри каждого класса проанализированы наиболее яркие функциональные особенности этих полипептидов.
Ключевые слова: морские анемоны, полипептидные токсины, структурные мотивы.
DOI: 10.7868/S0132342315050085
ВВЕДЕНИЕ
Морские анемоны — малоподвижные хищники, которых, при обычном знакомстве с ними, можно воспринять скорее как украшения морского дна, нежели как опасных для нас существ. По своей сути, это представление о морских анемонах верно, поскольку, несмотря на то, что они относятся к ядовитым животным, лишь очень небольшое число видов этих стрекающих может вызывать сильные ожоги. Будучи безопасными для человека, секретируемые в клетках-нематоцистах полипептидные молекулы обладают огромным разнообразием, как структурным, так и в плане биологической активности.
Многие компоненты ядов актиний могут быть смертельными для рыб и ракообразных, что связано с наличием в них полипептидных блокаторов ионных каналов. Такие блокаторы в ходе длительной эволюции приобрели направленное действие только на те виды животных, которые включены в рацион питания морских анемон. Первоочередная цель яда — это быстрое обездвиживание жертвы, так как догнать ее морская анемона никогда не сможет.
1 Статья публикуется по материалам сообщения, представленного на VII Российском симпозиуме "Белки и пептиды"; Новосибирск, 12—17 июля 2015 г.
Сокращения: ICK — Inhibitor Cystine Knot (ингибиторный цистиновый узел), SRDA — Single Residue Distribution Analysis (анализ распределения одиночных аминокислотных остатков), PDB — Protein Data Bank, pBLAST — protein Basic Local Alignment Search Tool. # Автор для переписки (тел.: +7 (495) 336-65-40, e-mail: mikov.alexander@gmail.com).
Защита от сухопутных хищников, в том числе от людей, не является приоритетом, и поэтому репертуар токсинов, специфически действующих на млекопитающих, в яде морских анемон невелик, а их наличие является скорее следствием комбинаторной природы ядов.
Существует и вторая важная роль яда — наступательная. В битве за лучшее место под солнцем, в прямом смысле этого слова, морские анемоны пытаются занять наиболее удобный субстрат для прикрепления. Такие благоприятные для жизни места постоянно приходится захватывать/оборонять от других конкурентов-обитателей морского дна: кораллов, водорослей и прочих морских анемон. В ходе такой борьбы за выживание используются не только токсины, но и сигнальные молекулы, как средства для внутри- и межвидовой коммуникации.
В итоге природный яд, синтезируемый в специальных стрекательных клетках-нематоцистах, содержит не столько токсины, сколько большое количество биологически активных полипептидов с самыми разнообразными функциями. Это, а так же безопасность морских анемон для людей, привело к пристальному изучению их ядов и открытию в них большого количества полипептидных компонентов, перспективных для использования в качестве лекарственных средств и молекулярных инструментов исследования различных биологических мишеней [1—11]. Для многих полипептидов определена не только структура, но и биологическая функция. Именно эти компоненты наиболее подробно рассмотрены в данном обзоре.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИПЕПТИДОВ
По разнообразию содержащихся в яде компонентов среди ядовитых животных сегодня лидируют пауки, отдельные представители которых могут продуцировать до ~170 индивидуальных компонентов различной природы, преимущественно полипептидов [12]. При этом в подавляющем большинстве случаев в пептидах используется лишь одна эволюционно устоявшаяся пространственная укладка, называемая структурным мотивом ингибиторного цистинового узла (inhibitor cystine knot, ICK) [13, 14]. В сравнении с пауками, морские анемоны, возможно, не столь плодовиты в плане числа одновременно продуцируемых пептидных компонентов, однако, с точки зрения структурного разнообразия пространственной укладки полипептидов яда, их можно считать лидерами среди ядовитых животных. Так, структурно-функциональный анализ транскриптома средиземноморской анемоны Anemonia viridis показал 13 различных мотивов распределения остатков цистеина в полипептидных молекулах [15], что, в свою очередь подразумевает не менее 13 вариантов пространственной укладки полипептидной цепи.
Традиционно после обнаружения новых пептидов большинство исследователей присваивали им достаточно короткие названия, которые включали аббревиатуру видового названия изучаемого животного и какой-либо порядковый номер. В 2012 г. были анонсированы две разные номенклатуры, которые систематизировали название полипептидов морских анемон. Одна из них базировалась на рациональной номенклатуре (rational nomenclature), разработанной ранее для пептидных токсинов пауков [16]. В ней основной упор для группировки полипептидов делался на родовое имя изучаемого животного и трехбуквенную аббревиатуру видового названия, дополнительно предлагалось группировать полипептиды в соответствии с основной биологической активностью, например: актитоксины, актилизины, актифосфолипазы, ак-типротеазо-ингибиторы [17].
Вторая, "целесообразная номенклатура" (convenient nomenclature), предлагала различать ци-стеин-содержащие полипептиды морских анемон по структурным мотивам, в частности, по мотивам распределения цистеинов [18]. Одним из преимуществ структурных мотивов является то, что они изначально были разработаны для " анализа распределения одиночных аминокислотных остатков" (SRDA); в комбинации с этим методом они служат мощным инструментом поиска и предсказания закодированных в геномах полипептидов [19, 20]. Структурный подход позволяет группировать полипептиды по предполагаемым пространственным укладкам, и, в некоторой степени, учитывает не только размеры и наличие элементов вто-
ричной структуры, но и вероятную биологическую функцию.
На данный момент среди известных полипептидов морских анемон с точки зрения биологической функции охарактеризованы в основном ток-сины-блокаторы различных типов ионных каналов и ингибиторы протеиназ. Их активное изучение началось еще в 70—80-х годах XX века, когда были получены первые данные о полипептидах из морских анемон, воздействующих на №+-каналы [21—24]. В дальнейшем для цистеин-содержащих и линейных полипептидов морских анемон было определено много различных биологических мишеней.
Обе имеющиеся на сегодня номенклатуры предполагают использование греческих букв в начале названия, если для полипептида известна конкретная биологическая мишень. Соответствие той или иной буквы определенному типу рецептора сложилось исторически, и, по возможности, остается неизменным для биологически активных пептидов из различных ядовитых животных (примеры соответствия приведены в номенклатуре [16]). Ранее опубликованные полипептиды пока не получили новых систематических названий, поэтому их наименование часто не отражает биологическую функцию.
СТРУКТУРНЫЕ МОТИВЫ
Как уже было отмечено, ранее было найдено 13 различных мотивов распределения остатков цистеина [15]. Однако прогресс в изучении компонентного состава ядов морских анемон привел к обнаружению новых полипептидов с необычным распределением остатков цистеина по длине молекулы. В связи с этим назрела необходимость в ревизии известных на сегодняшний день структурных данных. В таблице приведены все ранее описанные мотивы и четыре мотива, которые являются новыми для пептидов морских анемон. Перечисленные мотивы (включая 4 новых) можно обнаружить более чем в 400 последовательностях полипептидов, аннотированных в мировых банках данных. Многие аннотированные последовательности, однако, выведены из структур генов без доказательств их реального присутствия в природных ядах. Если рассматривать только подтвержденные первичные структуры, то следует принимать во внимание чуть более 100 неповторяющихся зрелых последовательностей цистеин-содержащих пептидов из морских анемон (по состоянию на начало 2015 г.) [25].
Важно подчеркнуть, что для отнесения полипептидных молекул к той или иной структурной группе важно не только совпадение структурного мотива, но и количество остатков цистеина в молекуле. Это количество также отражено в таблице для каждого мотива. Для формирования жесткой и
Структурные мотивы полипептидов из ядов морских анемон. Жирным шрифтом выделены мотивы, впервые сформулированные в этой работе
Название мотива Кол-во полипептидов1 Число Cys2 Структура3 Комментарии Литература
1а 50 6 C1C##C6C-XrCC# Xx = 6-9 [38-55]
1b 10 6 C1C##C9C-XrCC# Xj = 6-8 [56-62]
2a 10 6 C8C-XrC*C3C2C Xj = 4, 8; С-концевой Cys [63-73]
2b 1 6 C6C#C*C3C#C С-концевой Cys [74]
2c 1 6 C1C#C*C3C##C С-концевой Cys [76]
2d 1 6 C3C#C*C6C##C С-концевой Cys [75, 76]
3а 14 6 C8C15C7C12C3C - [35, 71, 77-90]
4а 1 6 C8C5C10C1C8C# - [35]
5а 2 6, 8 CC1C-X1-C5C4C# X1 = 2, 4, 5 [91-97]
6а 1 8 C3C*C#C#C2C#C#C# - [98]
7а 1 6 C6C#C*C6C#C# - [98]
8a 2 10 C#CC#C*CC#C#C1C*C С-концевой Cys [106]
9а 5 4 C2C#C#C# Комплексный предшественник [35, 37, 99]
10а 1 2 C##C# - [100]
11а 2 6, 8 C6C#CC*C*C Мотив ICK [101]
11b 1 8 C6C#CC*C*C*C1C# Мотив ICK [101, 102]
1 Учтены опубликованные в базе данных ишрхО последовательности с подтвержденной структурой.
2 В зрелой последователь
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.