Российские ученые совместно с зарубежными коллегами обнаружили, что яд паука Heriaeus melloteei может стать основой для создания лекарств от гипокалиемического периодического паралича. Это заболевание вызвано мутацией генов, приводящих к возникновению так называемых токов «утечки» через потенциал-зависимые ионные каналы NaV1.4 в скелетных мышцах. В результате такого дефекта канала мышцы оказываются неспособны отвечать на сигналы нервной системы, и развивается слабость вплоть до паралича. До сих пор надежного лекарства от всех случаев этой болезни не существует. Результаты работы опубликованы в журналеProceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Паук Heriaeus melloteei
В состав любой клеточной мембраны входят ионные каналы — белковые поры, избирательно пропускающие ионы, а также специальные насосы — помпы, перекачивающие определенные типы ионов внутрь клетки и наружу. За счет их работы мембрана оказывается неодинаково заряжена с двух сторон, то есть обладает разностью потенциалов. В отсутствие раздражающих стимулов потенциал поддерживается на постоянном уровне. Под действием разнообразных сигналов определенные ионные каналы открываются или закрываются, изменяя, таким образом, ток ионов внутрь и наружу клетки, а также заряд мембраны. В результате некоторые клетки (нервные, мышечные и железистые) возбуждаются — получают возможность отвечать на сигнал.
Однако порой гены, кодирующие каналы, оказываются повреждены, и ответ клеток может стать неадекватным. Например, дефекты потенциал-чувствительных доменов потенциал-зависимых натриевых каналов NaV1.4 в мышцах приводят к тому, что даже в закрытом состоянии они пропускают ионы натрия в клетку, меняя разность потенциалов мембраны. Сигналы от нервной системы более не способны возбудить мышцу — развивается паралич. У больных гипокалиемическим периодическим параличом второго типа развивается слабость вплоть до полного обездвиживания. К сожалению, существующие лекарства для облегчения их состояния зачастую неэффективны.
Рис 1. Структурная организация канала NaV1.4 в мембране (A,B) и сравнение последовательности первого потенциал-чувствительного домена (DI) с другими натриевыми и калиевыми каналами (B). Канал состоит из пяти мембранных доменов, четырех потенциал-чувствительных, сформированных спиралями S1-S4 (голубые цилиндры), и одного порового, сформированного спиралями S5-S6 (серые цилиндры). На спиралях S4 находятся воротные положительные заряды (отмечены знаками «+»). Мутации соответствующих остатков приводят к токам «утечки», которые ответственны за возникновение ряда заболеваний (каналопатий), включая гипокалиемический периодический паралич (красные ромбы). В работе исследовали новую мутацию Arg222/Trp домена DI (красный ромб на панели C). Положение сайтов связывания токсинов пауков, влияющих на активацию канала, показано штриховыми рамками. Красная и зеленая – ранее известные сайты, фиолетовая – сайт на домене DI впервые описанный в работе. (З.О. Шенкарев)
«Наша работа посвящена изучению потенциал-зависимых ионных каналов человека, в частности, рассмотрению мутаций NaV1.4 канала из скелетных мышц, отвечающих за развитие тяжелого заболевания — гипокалиемического периодического паралича второго типа. В работе впервые показано, что существуют природные соединения, способные заблокировать токи «утечки» через мутантные каналы», — рассказывает Михаил Петрович Кирпичников, доктор биологических наук, академик РАН, декан биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Применяя целый арсенал методов генной и белковой инженерии, электрофизиологии, ЯМР-спектроскопии и компьютерного моделирования, исследователи изучили причины «неправильной» работы поврежденного мутацией канала. В качестве блокатора был впервые предложен токсин из яда паука Heriaeus melloteei, и, согласно результатам, полученным с помощью сайт-направленного мутагенеза, электрофизиологии, ЯМР-спектроскопии и компьютерного моделирования, он фиксирует потенциал-чувствительный домен канала в положении, устраняющем ток «утечки».
«Открытие подобного действия токсина позволяет надеяться, что можно создать эффективные препараты для лечения больных гипокалиемическим параличом и другими сходными недугами. Полученная нами модель взаимодействия канала и токсина из яда паука открывает перспективы для разработки новых лекарств», — заключает Александр Василевский, кандидат химических наук, преподаватель МГУ и заведующий лабораторией в ИБХ РАН.
Структурную часть работы комментирует Захар Шенкарев, доктор физико-математических наук, профессор РАН, преподаватель МФТИ и руководитель группы в ИБХ РАН: «Исследования структур комплексов ионных каналов с токсинами в мембране представляет непростую задачу. Основная проблема в нашей работе была связана с низкой стабильностью образцов в условиях ЯМР-эксперимента. Для ее решения нам пришлось разработать целый ряд новых экспериментальных методик, что позволило ускорить процесс сборки структурных данных с нескольких дней до нескольких часов. В результате нам удалось впервые построить экспериментальную модель комплекса натриевого канала с токсином паука, а также охарактеризовать новый сайт связывания токсинов, который расположен на первом потенциал-чувствительном домене (DI). Ранее были известны сайты связывания, располагающиеся на втором и четвертом доменах (DII и DIV)».
Рис 2. Структура комплекса канала Nav1.4 из мышц человека с токсином Hm-3 из яда паука Heriaeus melloteei по данным ЯМР. (A) Комплекс Hm-3 (голубой/фиолетовый) с первым потенциал-чувствительным доменом (DI) канала (песчаный/красный). Вид сбоку, со стороны липидного бислоя. (В) Комплекс токсин-канал. Вид на плоскость мембраны со стороны внеклеточного пространства. (З.О. Шенкарев)
Работа выполнена сотрудниками ИБХ им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН совместно с коллегами с биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и МФТИ, а также зарубежными коллегами из Института неврологии Университетского колледжа Лондона и Школы медицины Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе при поддержке Российской академии наук (программа «Молекулярная и клеточная биология») и Российского научного фонда (РНФ).
Текст выверен Екатериной Люкмановой и Захаром Шенкаревым
Spider toxin inhibits gating pore currents underlying periodic paralysis
Roope Männikkö, Zakhar O. Shenkarev, Michael G. Thor, Antonina A. Berkut, Mikhail Yu Myshkin, Alexander S. Paramonov, Dmitrii S. Kulbatskii, Dmitry A. Kuzmin, Marisol Sampedro Castañeda, Louise King, Emma R. Wilson, Ekaterina N. Lyukmanova, Mikhail P. Kirpichnikov, Stephanie Schorge, Frank Bosmans, Michael G. Hanna, Dimitri M. Kullmann and Alexander A. Vassilevski
PNAS April 10, 2018. 201720185; published ahead of print April 10, 2018. https://doi.org/10.1073/pnas.1720185115
Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.
