Эволюционная «гонка вооружений»: нейротоксины против ионных каналов
Кандидат физико-математических наук Антон Чугунов, кандидат химических наук Александр Василевский. Фото Натальи Домриной
Биологическая эволюция — общая форма существования живой материи. При детальном рассмотрении оказывается, что виды почти никогда не эволюционируют поодиночке.
Биологическая эволюция — общая форма существования живой материи. При детальном рассмотрении оказывается, что виды почти никогда не эволюционируют поодиночке. Обычно в этом принимают участие их экологические партнёры. Таким образом, изменение происходит в парах: паразит — хозяин, хищник — жертва. Эволюционное изменение одного вида неизбежно приводит к изменению другого. Более того, взаимную эволюцию, когда один вид совершенствует систему нападения, а другой вслед за ним — систему защиты (и наоборот), часто можно проследить на молекулярном уровне. И здесь наиболее действенной и элегантной оказалась система нападения с помощью ядов, содержащих в своём составе нейротоксины — вещества, воздействующие на нервную систему и мышцы жертвы.
Несмотря на детальную проработку теории эволюции профессионалами и многочисленные примеры, вошедшие в учебники и популярную литературу, воплощение эволюционного процесса зачастую настолько причудливо, что исследование изменений в живых организмах может быть интересно не только учёным-теоретикам. Известно, что у эволюции нет воли и цели: живые организмы меняются, чтобы оставить максимальное потомство, а не чтобы достигнуть абстрактного совершенства. Так, эволюционно прогрессивным признаком считается тот, который позволяет лучше приспособиться к окружающим условиям в данный момент, а не красота или сложность устройства сами по себе.
Например, антарктическая ледяная рыба утратила гены гемоглобина из-за того, что в условиях её обитания, при температурах близких к нулю и даже ниже нуля растворимость кислорода в воде достаточно высока, чтобы обеспечивать ткани этим газом просто за счёт диффузии и усиления кровотока. Можно сказать, что в этом случае рыба «экономит» на гемоглобине. Другие рыбы, которые живут в пещерах или обитают на очень больших глубинах, почти всегда за ненадобностью теряют зрение. Степень упрощения строения паразитических организмов вообще поражает воображение, причём в случае бактерий это приводит к кардинальному упрощению всего генетического аппарата: например, геном микоплазмы — бактерии, не имеющей клеточной стенки, содержит всего около 500 генов. А у Candidatus Carsonella ruddii — бактерии, живущей внутри клеток листоблошек, и вовсе 182 гена. И всё перечисленное — прогрессивные признаки, поскольку они позволили упомянутым организмам максимально пластично адаптироваться к обстановке, в которой обитают. Более известный (и более «благородный») пример — эволюция человека, где развитие пошло по пути усложнения нервной системы и способности к коммуникации, а также к становлению богатой культуры, современное состояние которой мы имеем удовольствие ежедневно наблюдать вокруг. Одновременно возросла роль полового отбора и образования семей, — и всё это тоже проделки эволюции.
Уроки «холодной войны». Принцип Чёрной королевы
Вторая половина XX века кроме замечательных открытий в молекулярной биологии была ознаменована «холодной войной» — глобальной конфронтацией между социалистическим и капиталистическим строем. Это противостояние породило эффект «гонки вооружений» — процесс борьбы за военное превосходство с положительной обратной связью, вызвавший гипертрофию военно-промышленных комплексов СССР и США.
Похожий эффект наблюдается и в процессе коэволюции (совместной эволюции) двух видов, связанных друг с другом. Изменение одного из видов неизбежно влечёт изменение другого для сохранения паритета или получения превосходства. Простейший пример — газели и гепарды. И тем и другим приходится бегать из поколения в поколение всё быстрее и быстрее: одним — чтобы остаться в живых, другим — чтобы утолить голод.
Подчёркивая параллель с «холодной войной», биологи ввели понятие эволюционной «гонки вооружений» (англ. evolutionary arms race), приписывая данному процессу роль важнейшей движущей силы эволюции. Более строго это понятие сформулировано в форме принципа Чёрной королевы, утверждающего, что в коэволюционных отношениях каждому из видов приходится «бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте» (цитата из «Алисы в Зазеркалье», удачно передающая суть принципа). Прямое экспериментальное подтверждение принципа Чёрной королевы получено на микроскопических рачках дафниях и их паразитических бактериях: «воскресив» из донного ила несколько поколений тех и других, биологи показали, что самые опасные для дафний паразиты — современные им, тогда как прошлые и будущие популяции бактерий заражали рачков с меньшей эффективностью.
Око за око, ген за ген
Хороший пример эволюционной «гонки вооружений» — растения с их паразитами. Во многих случаях наблюдается строгое соответствие системы устойчивости растения системе вирулентности (заразности) его паразита. Более того, это соответствие сводится всего лишь к двум генам: гену растения, позволяющему противостоять заражению (гену резистентности R), и гену паразита, необходимому для инфекции (гену авирулентности Avr). Такие межвидовые отношения получили название «ген за ген» (англ. gene-for-gene). Растения, содержащие ген R, оказываются устойчивыми по отношению к паразитам с соответствующим геном Avr. Как правило, гены резистентности растений кодируют белки-рецепторы, детектирующие появление паразита. Теперь паразит стремится изменить свой Avr-ген так, чтобы ускользнуть от узнавания рецептором растения. И наоборот, растение изменяет свой R-ген, чтобы по-прежнему детектировать заражение.
Одно из наиболее прогрессивных эволюционных приобретений высших позвоночных — развитая иммунная система, основанная на принципе комбинаторики и позволяющая противостоять практически любому чужеродному организму. Однако бактерии и вирусы не сдаются, им тоже есть что предъявить из своего арсенала. Хорошо известный пример — постоянно мутирующий вирус гриппа, к которому необходимо получать всё новые и новые вакцины. Другой, не менее поразительный, пример — явление «смены фаз» у бактерий, заключающееся в случайном изменении фенотипа с высокой частотой, намного превышающей частоту обычных мутаций. Так, сальмонеллы используют этот приём для замены белка флагеллина, из которого построены бактериальные жгутики и который служит сигналом для запуска иммунологических реакций. Только у хозяина разовьётся иммунный ответ, как сальмонелла меняет тип флагеллина и ускользает!
Ядовитый арсенал
Пожалуй, самым эффективным средством как нападения, так и защиты служат яды, которые в процессе эволюции научились вырабатывать разнообразнейшие животные: многие кишечнополостные, членистоногие, моллюски, хордовые и другие. Присутствующие в ядах молекулы называют токсинами, а в том частном (но распространённом) случае, когда мишенью их действия служит нервная система и/или мышцы, — нейротоксинами.
Состав яда животных различен: если, допустим, в яде пчелы присутствуют всего два основных компонента — мембрано-активный пептид мелиттин и гидролизующий липиды фермент фосфолипаза A2, то в яде пауков, скорпионов, морских анемон и конусов, а также змей содержатся десятки, а иногда сотни или даже тысячи компонентов различной химической природы. Наблюдаемое в ядах разнообразие компонентов одного структурного типа сегодня принято описывать термином «эволюционно отредактированная комбинаторная библиотека». Молекулы, составляющие библиотеку, обладают различной эффективностью и специфичностью в отношении разных рецепторов, а результирующая смесь токсинов эффективна в отношении широкого круга мишеней.
Эволюционное преимущество богатого арсенала — способность «следовать» за жертвой: если мишень действия основного компонента яда начнёт ускользать (например, рецептор мутирует), в яде с большой вероятностью обнаружится слабо представленный, но более активный по отношению к новой форме рецептора токсин и теперь уже ему суждено будет стать основой «вооружения» у будущих поколений ядовитых хищников.
«Всенепременнейше захватите телеграф!»
Как уже было сказано, частой мишенью действия ядов является нервная система, а поэтому основа арсенала многих ядовитых гадов — нейротоксины. Связано это, по-видимому, с тем, что нарушить работу сложной системы проще всего, уничтожив коммуникацию, что было отмечено ещё в работах Ленина, рекомендовавшего в случае захвата власти в первую очередь взять под контроль телефон, телеграф и железнодорожные станции. «Телеграф» нашего организма — нервная сеть, передача сообщений в которой основана на феномене потенциала действия, распространяющегося вдоль мембран нейронов. В состоянии покоя поддерживается определённая разница концентраций ионов (Na+, K+, Ca2+, Cl−) внутри нейронов и снаружи и формируется потенциал покоя. Рабочими элементами потенциала действия служат ионные каналы — мембранные белки, пропускающие те или иные ионы по команде. В частности, начинается потенциал действия с активации потенциал-чувствительных натриевых каналов (ПЧНК), открывающихся в ответ на уменьшение трансмембранной разности потенциалов (деполяризацию). Интересно, что появление таких каналов в эволюции животных тесно связано с дифференцировкой тканей и обособлением нервной системы. О них и поговорим подробнее, оставив другие каналы за рамками статьи.
Каждый ПЧНК состоит из очень длинной полипептидной цепи (около двух тысяч остатков аминокислот), которая представлена четырьмя похожими фрагментами — повторами цепи. При этом в пространстве канал составлен из пяти частей (или доменов). В образовании единственного пóрового домена участвуют все повторы полипептидной цепи, в его центре формируется селективная для ионов Na+ пора. Четыре — по одному от каждого повтора — потенциал-чувствительных домена расположены вокруг центрального пóрового домена. Функция потенциал-чувствительного домена — реагировать на изменение мембранного потенциала и передавать команду на открытие поры.
ПЧНК — ключевой компонент передачи нервных импульсов, а значит, и работы нервной системы вообще. Очевидно, именно этим обусловлено существование огромного числа токсинов, связывающихся с ПЧНК и так или иначе нарушающих их работу. В свою очередь нарушение работы ПЧНК приводит к параличу, судорогам, а смерть наступает, как правило, от остановки дыхания. Например, тетродотоксин, содержащийся в знаменитом японском деликатесе — рыбе фугу и в некоторых других животных, блокирует пору натриевого канала подобно пробке. Интересно, что некоторые тритоны используют тетродотоксин для защиты от хищников, а охотящиеся на этих тритонов змеи приобретают устойчивость в результате мутации генов ПЧНК. К блокаторам ПЧНК относятся небольшие пептиды μ-конотоксины, являющиеся оружием морских моллюсков-конусов. Местные анестетики, такие как новокаин и лидокаин, тоже являются блокаторами ПЧНК: их местное применение приводит к блокаде чувствительных нейронов.
Но не все токсины блокируют канал: есть и такие, которые его активируют, то есть увеличивают время, когда канал находится в открытом состоянии. Пример таких молекул — батрахотоксин, содержащийся в секрете кожных желёз некоторых южноамериканских лягушек-листолазов. Распространённые инсектициды пиретроиды также относятся к активаторам ПЧНК.
В яде скорпионов есть α- и β-токсины. Они представляют собой небольшие белки (~60—70 аминокислотных остатков), в структуре которых присутствует β-лист из трёх тяжей и короткая α-спираль, скреплённые четырьмя дисульфидными связями. Хотя и те и другие токсины, по сути, активируют канал, делают они это по-разному: α-токсины мешают каналу закрыться, а β-токсины помогают ему открыться. Соответственно и места взаимодействия с ПЧНК у этих токсинов разные: и те и другие связываются с потенциал-чувствительным доменом, но для α-токсинов это домен IV, а для β-токсинов — домен II.
Остановимся подробнее на α-токсинах и на их «взаимоотношениях» с ПЧНК. Дело в том, что в яде скорпионов присутствуют молекулы, обладающие токсическим действием по отношению к насекомым или млекопитающим (назовём соответствующие α-токсины инсектотоксинами и млекотоксинами). И те и другие связываются с потенциал-чувствительным доменом IV, но только у разных каналов. У насекомых это свой канал, называемый Para, а у млекопитающих есть целых девять разновидностей каналов, обозначаемых Nav1.1—1.9. Разные ПЧНК млекопитающих выполняют разные функции. Например, Nav1.2 характерен для центральной нервной системы, Nav1.4 — для скелетной мускулатуры, Nav1.5 — для сердца. А дальше в ход идёт упомянутая «комбинаторная библиотека» яда скорпионов, в которой может найтись молекула, активная по отношению к выбранной мишени. Если это происходит, «владелец» такого яда получает эволюционное преимущество по сравнению с другими и та часть его генома, которая отвечает за состав «ядовитой библиотеки», широко распространяется в будущих поколениях скорпионов.
Присутствующие в яде скорпионов нейротоксины отличаются разнообразием: некоторые из них могут быть направлены исключительно на каналы насекомых (инсектотоксины), тогда как другие действуют на каналы млекопитающих (млекотоксины). Есть также молекулы, действующие сразу и на те, и на другие ПЧНК. Что лежит в основе молекулярной эволюции этих токсинов и позволяет им угнаться сразу за множеством ускользающих мишеней? Попробуем ответить на этот вопрос.
Компьютерный анализ выявляет молекулярную «гонку вооружений»
В Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН (ИБХ РАН) было проведено исследование особенностей млеко- и инсектотоксинов из яда скорпионов, определяющих их селективное взаимодействие с соответствующими ПЧНК. Работа состояла из двух частей.
Компьютерный анализ структуры и динамики позволил выявить характерные особенности млеко- и инсектотоксинов и предсказать активность «сиротского» токсина с неизвестной селективностью. Эта часть работы сделана в лаборатории моделирования биомолекулярных систем.
Затем предсказания проверили в лаборатории нейрорецепторов и нейрорегуляторов: был синтезирован «сиротский» токсин и исследована его специфичность.
Компьютерное моделирование основывалось на методе молекулярной динамики. Установлено, что молекулы α-токсинов, несмотря на свой небольшой размер и жёсткую структуру, состоят из двух динамических модулей. Анализ характерных движений показал, что один из этих модулей достаточно «жёсткий», а другой — довольно «пластичный». Более того, движения «пластичного» модуля различаются у млеко- и инсектотоксинов.
Идентифицированные с помощью молекулярной динамики части молекул получили название «сердцевинный модуль» и «модуль специфичности». Сердцевинный модуль α-токсинов оказывается эволюционно консервативным (очень сходно устроенным у инсекто- и млекотоксинов), а модуль специфичности — вариабельным, соответствующим конкретной мишени действия. Сердцевинный модуль, таким образом, отвечает за распознавание ПЧНК вообще, а быстро изменяющийся в эволюции модуль специфичности позволяет токсину «настраиваться» на конкретный тип канала.
Было также обнаружено, что модуль специфичности млекотоксинов существенно более гидрофильный («любящий воду», предпочитающий водные растворы), чем у инсектотоксинов. Эта особенность, предположительно, отражает структурные детерминанты, позволяющие токсинам выборочно распознавать свои мишени. Что интересно, анализ свойств ПЧНК показал ту же тенденцию для внеклеточной части S5–S6 повтора I: у каналов млекопитающих эти области более гидрофильны, чем у каналов насекомых. Сопоставление результатов анализа с накопленными биохимическими данными позволило предложить любопытный характер связывания α-токсинов с ПЧНК. Сердцевинный модуль, по-видимому, взаимодействует с потенциал-чувствительным доменом IV, в то время как модуль специфичности связывается с петлёй S5–S6 повтора I. Данные области в структуре ПЧНК сближены, что также было показано в независимых экспериментах. Идея соответствия модульной организации токсинов доменной структуре каналов имеет интересный эволюционный смысл, позволяющий нам разглядеть «гонку вооружений» в противостоянии ядовитых животных и их жертв. Модульная структура, предположительно, позволяет токсинам гибко адаптироваться к изменяющейся мишени.
Компьютерный анализ может быть использован для предсказания активности токсинов с неизученными свойствами. В частности, для токсина M9 из яда среднеазиатского скорпиона Mesobuthus eupeus, ставшего первым нейротоксином из скорпионьего яда, для которого была установлена пространственная структура (кстати, это тоже сделано в ИБХ), предсказана активность в отношении каналов как млекопитающих, так и насекомых. Биоинженерный синтез и тестирование активности этого токсина на рекомбинантных ПЧНК подтвердили высказанное предположение. Результаты представленной работы опубликованы в журнале «The Journal of Biological Chemistry». Эволюционное обособление модулей α-токсинов, похоже, вызвано требованиями «гонки вооружений» — необходимостью оперативно адаптироваться вслед за изменяющимися условиями среды: появлением новых мишеней и изменением старых. Вряд ли этот подход универсален, но в данном случае он позволил с новой стороны взглянуть на взаимосвязь структура — функция для биологически активных пептидов.
Биоинженерия и нейробиология
Изучение молекулярных основ эволюционной «гонки вооружений» имеет не только фундаментальное значение. Например, заново созданные «дизайнерские» молекулы — аналоги нейротоксинов с заданной исследователями активностью — станут идеальными инструментами исследования нервной системы. Такие молекулы дадут возможность прицельно регулировать работу ионных каналов и модифицировать нервный ответ желаемым образом.
Придание нейротоксинам желаемой селективности и видоспецифичности позволит, например, создать инсектицид нового поколения. Биоинженерно изготовленный или даже внедрённый в геном растений инсектотоксин будет эффективно бороться с насекомыми-вредителями. А можно представить себе возможность создания идеально селективного инсектотоксина, действующего на вредителей и нетоксичного для полезных насекомых (например, пчёл).
Наконец, идеально селективные нейротоксины — уже не яды, а точно настраиваемые нейрорегуляторы — нашли бы применение в молекулярной медицине для лечения заболеваний, связанных с дисфункцией ионных каналов и называемых каналопатиями. Среди них — различные неврологические и психические расстройства, а также патологии скелетной и сердечной мускулатуры.
Статья — лауреат конкурса научно-популярных статей Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 13—04—11520).
Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 11—04—01606.
Дополнительная литература по теме статьи:
«Великому комбинатору и не снилось: комбинаторика токсинов пауков». Сайт Biomolecula.ru.
«О чём не знал Гальвани: пространственная структура натриевого канала». Сайт Biomolecula.ru.
Pashkov V. S., Maiorov V. N., Bystrov V. F., Hoang A. N., Volkova T. M., Grishin E. V. Solution spatial structure of ‘long’ neurotoxin M9 from the scorpion Buthus eupeus by 1H-NMR spectroscopy // Biophys. Chem. 31 (1988), 121—131.
Chugunov A. O., Koromyslova A. D., Berkut A. A., Peigneur S., Tytgat J., Polyansky A. A., Pentkovsky V. M., Vassilevski A. A., Grishin E. V., Efremov R. G. Modular organization of α-toxins from scorpion venom mirrors domain structure of their targets, sodium channels // J. Biol. Chem. 288 (2013), 19014—19027.
Читайте в любое время
