Дендротоксин - Dendrotoxin

Дендротоксины являются классом пресинаптических нейротоксины произведено мамба змеи (Дендроаспис ), которые блокируют определенные подтипы закрытый по напряжению калиевые каналы в нейроны, тем самым увеличивая выпуск ацетилхолин в нервно-мышечные соединения. Благодаря своей высокой эффективности и селективности в отношении калиевых каналов дендротоксины оказались чрезвычайно полезными в качестве фармакологический инструменты для изучения структуры и функции этих ионный канал белки.

Выравнивание последовательностей дендротоксинов и BPTI. Соответственно окрашены аминокислотные остатки с аналогичными свойствами.

Функциональные эффекты в нервной системе

Было показано, что дендротоксины блокируют определенные подтипы потенциал-зависимого калия (K+) каналов в нейрональной ткани.[нужна цитата ] В нервной системе потенциалзависимый K+ каналы контролируют возбудимость нервов и мышц, контролируя мембранный потенциал покоя и по переполяризация мембрана во время потенциалы действия. Было показано, что дендротоксин связывает узлы Ранвье из двигательные нейроны[1] и блокировать активность этих калиевых каналов. Таким образом, дендротоксины увеличивают продолжительность потенциалов действия и увеличивают высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, что может привести к гипервозбудимости мышц и судорожным симптомам.

Структура дендротоксина

3D модель альфа-дендротоксина. окрашенные в красный цвет представляют собой положительно заряженные аминокислотные остатки на N-конце и в области β-поворота, которые, как полагают, важны для связывания с калиевым каналом.

Дендротоксины представляют собой белки массой ~ 7 кДа, состоящие из одной пептидной цепи длиной примерно 57-60 аминокислоты. Было выделено несколько гомологов альфа-дендротоксина, все из которых имеют несколько иную последовательность. Однако молекулярная архитектура и складчатая конформация этих белков очень похожи. Дендротоксины обладают очень коротким 310-спираль недалеко от N-конец пептида, а двухоборотный альфа-спираль происходит около C-конец. Двухцепочечный антипараллельный β-лист занимает центральную часть молекулярной структуры. Эти две β-тяжи соединены искаженной областью β-витков.[2] это считается важным для связывающей активности белка. Все дендротоксины сшиты тремя дисульфидные мостики, которые добавляют стабильность белку и в значительной степени способствуют его структурной конформации. В цистеин остатки, образующие эти дисульфидные связи, были консервативными среди всех членов семейства дендротоксинов и расположены в C7-C57, C16-C40 и C32-C53 (нумерация в соответствии с альфа-дендротоксином).

Дендротоксины структурно гомологичны Куниц -тип ингибиторы сериновой протеазы, включая ингибитор трипсина поджелудочной железы крупного рогатого скота (БПТИ). Было показано, что альфа-дендротоксин и BPTI имеют 35% идентичность последовательностей, а также идентичные дисульфидные связи. Несмотря на структурную гомологию между этими двумя белками, дендротоксины, по-видимому, не проявляют какой-либо измеряемой ингибирующей протеазной активности, такой как BPTI. Эта потеря активности, по-видимому, является результатом отсутствия ключевых аминокислотных остатков, которые вызывают структурные различия, которые препятствуют ключевым взаимодействиям, необходимым для протеазной активности, наблюдаемой в BPTI.

Дендротоксины - это базовый белки, которые имеют сетку положительный заряд когда присутствует в нейтральном pH. Большинство положительно заряженных аминокислотных остатков дендротоксинов расположены в нижней части структуры, создавая катионный домен на одной стороне белка. Положительный заряд в результате лизин (Lys) и аргинин (Arg) остатки, которые сосредоточены в трех первичных областях белка: около N-конца (Arg3, Arg4, Lys5), около C-конца (Arg54, Arg55) и в узкой области β-поворота (Lys28, Lys29 , Lys30).[3] Считается, что эти положительно заряженные остатки могут играть решающую роль в связывающей активности дендротоксина, поскольку они могут осуществлять потенциальные взаимодействия с анионными сайтами (отрицательно заряженными аминокислотами) в порах калиевых каналов.

Биологическая активность

Фармакология

Одиночная молекула дендротоксина обратимо связывается с калиевым каналом, чтобы оказывать его ингибирующее действие. Предполагается, что это взаимодействие опосредуется электростатический взаимодействия между положительно заряженными аминокислотными остатками в катионном домене дендротоксина и отрицательно заряженными остатками в поры ионного канала. Считается, что калиевые каналы, как и другие катион-селективные каналы, имеют облако отрицательных зарядов, которые предшествуют открытию поры канала, что помогает проводить ионы калия через путь проникновения. Обычно считается (хотя и не доказано), что молекулы дендротоксина связываются с анионный участки рядом с внеклеточной поверхностью канала и физически закрывают поры, тем самым предотвращая ионную проводимость. Однако Имреди и Маккиннон[4] предположили, что дельта-дендротоксин может иметь нецентральный сайт связывания на их белках-мишенях и может ингибировать канал, изменяя структуру канала, а не физически блокируя поры.

Биологически важные остатки

Многие исследования пытались определить, какие аминокислотные остатки важны для активности связывания дендротоксинов с их мишенями для калиевых каналов. Харви и др.[5] использовали специфичные для остатков модификации для идентификации положительно заряженных остатков, которые имели решающее значение для блокирующей активности дендротоксина-I. Они сообщили, что ацетилирование Lys5 вблизи N-концевой области и Lys29 в области бета-поворота привело к существенному снижению аффинности связывания DTX-I. Аналогичные результаты были показаны с дендротоксином-K при использовании сайт-направленный мутагенез для замены положительно заряженных остатков лизина и аргинина на нейтральные аланины. Эти результаты, наряду со многими другими, предполагают, что положительно заряженные лизины в N-концевой половине, особенно Lys5 в 310-спирали, играют очень важную роль в связывании дендротоксинов с их мишенями калиевых каналов. Остатки лизина в области β-поворота дали более противоречивые результаты, оказавшись биологически важными для некоторых гомологов дендротоксина и не обязательными для других. Кроме того, мутация всего триплета лизина (K28-K29-K30) в Ala-Ala-Gly в альфа-DTX приводила к очень небольшому изменению биологической активности.

Существует общее согласие с тем, что консервативный остаток лизина около N-конца (Lys5 в альфа-DTX) имеет решающее значение для биологической активности всех дендротоксинов, в то время как дополнительные остатки, такие как остатки в области бета-поворота, могут играть роль в специфичности дендротоксина, опосредуя взаимодействия отдельных токсинов с их индивидуальными целевыми сайтами. Это не только помогает объяснить строгую специфичность некоторых дендротоксинов для различных подтипов потенциалозависимых K+ каналов, но также учитывает различия в эффективности дендротоксинов для обычных K+ каналы. Например, Wang et al.[6] показали, что взаимодействие дендротоксина-K с KV1.1 опосредуется остатками лизина как на N-конце, так и в области β-поворота, тогда как альфа-дендротоксин, по-видимому, взаимодействует со своей мишенью только через N-конец. Этот менее обширный интерактивный домен может помочь объяснить, почему альфа-дендротоксин менее различим, в то время как дендротоксин-K строго селективен для KV1.1.

Использование в исследованиях

Калиевые каналы позвоночное животное нейроны демонстрируют высокую степень разнообразия, что позволяет нейронам точно настраивать свои электрические сигнальные свойства путем экспрессии различных комбинаций субъединиц калиевых каналов. Кроме того, поскольку они регулируют поток ионов через биологические мембраны, они важны во многих аспектах клеточной регуляции и передачи сигналов различных типов клеток. Следовательно, потенциалзависимые калиевые каналы являются мишенями для широкого спектра мощных биологических токсинов от таких организмов, как змеи, скорпионы, морские анемоны и конусные улитки. Таким образом, яд очищение привело к выделению пептидных токсинов, таких как дендротоксины, которые стали полезными фармакологическими инструментами для изучения калиевых каналов. Из-за их эффективности и селективности в отношении различных подтипов калиевых каналов дендротоксины стали полезными в качестве молекулярных зондов для структурного и функционального исследования этих белков. Это может помочь улучшить наше понимание роли, которую играют отдельные типы каналов, а также помочь в фармакологической классификации этих различных типов каналов.[7] Кроме того, наличие радиоактивно меченных дендротоксинов обеспечивает инструмент для скрининга других источников в поисках новых токсинов калиевых каналов, таких как класс каликлюдина токсинов калиевых каналов у морских анемонов. Наконец, структурная информация, предоставляемая дендротоксинами, может дать ключ к разгадке синтеза терапевтический соединения, которые могут быть нацелены на определенные классы калиевых каналов. Дендротоксин I также использовался, чтобы помочь очистить и охарактеризовать белок K + канала, с которым он связывается, с помощью различных методов анализа связывания и хроматографии.[8]

Рекомендации

  1. ^ Гаспарини С., Данс Дж.М., Ликок А., Пинкасфельд С., Зинн-Джастин С., Янг Л.С., К.Л. де Медейрос К., Роуэн Э. Г., Харви А. Л. и Менез А. (1998). Определение функционального сайта альфа-дендротоксина: функциональная топография дендротоксинов отличается, но имеет консервативное ядро ​​с таковыми у других KV1 токсины, блокирующие калиевые каналы. Журнал биологической химии 273:25393-25403
  2. ^ Като Е., Нишио Х., Инуи Т., Нишучи Ю., Кимура Т., Сакакибара С., Ямадзаки Т. (2000). Структурная основа биологической активности дендротоксина-I, мощного блокатора калиевых каналов. Биополимеры 54:44-57
  3. ^ Сваминатан П., Харихаран М., Мурали Р., Сингх К. У. (1996). Молекулярная структура, конформационный анализ и изучение структуры-активности дендротоксина и его гомологов с использованием методов молекулярной механики и молекулярной динамики. Журнал медицинской химии. 39:2141-2155
  4. ^ Имреди Дж. П. и Маккиннон Р. (2000). Энергетические и структурные взаимодействия между дельта-дендротоксином и калиевым каналом, управляемым напряжением. Журнал молекулярной биологии 296:1283-1294
  5. ^ Харви А.Л., Роуэн Э.Г., Ватанпур Х, Энгстрем А, Вестерлунд Б, Карлссон Э (1997). Изменения биологической активности после ацетилирования дендротоксина I из Dendroaspis polylepis (черная мамба). ' 35:1263-1273
  6. ^ Ван ФК, Белл Н., Рид П., Смит Л.А., Макинтош П., Робертсон Б. и Долли Дж. О. (1999). Идентификация остатков в дендротоксине K, ответственных за его различение между нейронами K+ каналы, содержащие KV1.1 и 1.2 альфа-субъединицы. Европейский журнал биохимии 263:222-229
  7. ^ Ёсида С. и Мацумото С. (2005). Влияние альфа-дендротоксина на K+ токи и потенциалы действия в нейронах тройничного ганглия взрослых крыс, устойчивых к тетродотоксину. Журнал фармакологии и экспериментальной терапии 314:437-445
  8. ^ Rehm, H .; Лаздунский, М. (1988-07-01). «Очистка и субъединичная структура предполагаемого белка K + -канала, идентифицированного по его связывающим свойствам для дендротоксина I.» Труды Национальной академии наук. 85 (13): 4919–4923. Дои:10.1073 / pnas.85.13.4919. ISSN  0027-8424. ЧВК  80549. PMID  2455300.

внешняя ссылка