Этот текст подготовлен для рубрики "Новости биологии развития" на сайте Института биологии развития

Ю.Б.Шмуклер

Пирамида Хеопса над могилкой любимого хомячка?

Неисповедимые пути научной работы столкнули с материалом, который при иных обстоятельствах вряд ли попался бы на глаза. Однако, изучение современной литературы о токсинах морского происхождения заставило задуматься над неожиданной проблемой.

Структура цигуатоксина (СТХ) и майтотоксина (МТХ). (A) Химическая и 2D структуры МТХ. Пунктиром выделен CTX-подобный остаток (гидрофобный из 9 колец). (B) Химическая и 2D структуры CTX 3C..

Морские микроводоросли Karenia brevis и Gambierdiscus toxicus, распространенные, первая - в Мексиканском заливе, а вторая – от Кариб до Тихого океана, продуцируют наборы высокотоксических веществ, обладающих специфической химической структурой – «лестничным» кислородсодержащим скелетом из большого количества эфирных колец. Майтотоксин содержит 34 кислородсодержащих кольца, цигуатоксин – 13, а бреветоксины - 9. Полагают, что высокая токсичность двух последних видов токсинов, вызывающих массовую гибель морских птиц и млекопитающих, а у человека – длительные и тяжелые неврологические расстройства, обусловлена тем, что они являются уникальными природными лигандами потенциал-зависимых натриевых каналов (см. Inserra et al., 2017). Наряду с этим другие токсины, продуцируемые этими же водорослями, активируют калиевые каналы, а майтотоксин – увеличивает вход в клетки ионов кальция. В связи с тем, что эти токсины, поражающие до 50 000 человек в год, термостабильны и до последнего времени отсутствовали методики их быстрого и надежного детектирования, изучению механизмов их действия посвящена огромная литература физиологического и медицинского плана (см. напр. Nicholson & Lewis, 2006). Однако, над простым вопросом о функции этих веществ в организмах, которые их синтезируют, мало кто задумывался, и идеи в этой области долгое время не выходили за пределы достаточно тривиальных.

Исходно подразумевалось, что продукция токсинов связана с функцией предупреждения или ограничения поедания водорослей. Видимо, никого не смущало, что целый арсенал бреветоксинов и цигуатоксинов (у некоторых видов – от 9 до 14), а также крупнейшая неполимерная органическая молекула майтотоксина, предназначены Премудрой Природой исключительно для защиты микроскопических водорослей Karenia brevis и Gambierdiscus toxicus от поедания. Это было бы сродни воздвижению пирамиды Хеопса над могилкой любимого хомячка. Правда, следует признать, что такого рода странные неэкономичные механизмы не являются чем-то абсолютно экстравагантным и невозможным. Например, суспензия неоплодотворенных яйцеклеток морских ежей «отапливает» морскую воду серотониноподобным веществом (Buznikov, 1989).

Свежая идея, состоящая в том, что оригинальная функция бреветоксинов связана с регуляцией ионного гомеостаза в условиях изменения солености в прибрежных водах, была опубликована Errera & Campbell (2010, 2011; 2012). На том основании, что продукция бреветоксинов по данным этих авторов существенно возрастала при действии осмотического шока, предполагалось, что клетки водорослей могут реагировать на резкое падение солености в прибрежных водах активацией натриевых каналов и соответственно, балансировкой внутриклеточного ионного гомеостаза. Однако, более корректные эксперименты, проведенные параллельно в трех лабораториях, опровергли такую возможность (Sunda et al., 2013) и возвратили проблему в исходное состояние – к идее о защите водорослей от поедания зоопланктоном. И только совсем недавно возникли принципиально новые подходы, данные и идеи по этому поводу.

Применение новых методик позволило продемонстрировать, что флуоресцентное производное бреветоксина локализуется в липофильной тилакоидной мембране хлоропласта K. brevis, где связывается со светопоглощающим комплексом (light-harvesting complex) II (LHCII) и тиоредоксином. LHCII важен для нефотохимического гашения (NPQ), тогда как тиоредоксин критичен для поддержания редокс гомеостаза в хлоропласте и вносит вклад в захват активных форм кислорода (ROS) (Cassell et al., 2015). Было также обнаружено, что у более токсических по сравнению с менее токсическими линиями K. brevis наблюдались более выраженное NPQ и уменьшение продукции ROS. Также было обнаружено, что связь с LHCII уменьшалась при нейтральном pH или низкой освещенности. Результаты, полученные на K.brevis (Cassell et al., 2015) соответствуют данным о локализации другого токсина динофлагеллят – окадаевой кислоты (Zhou & Fritz, 1994) – в хлоропласте и токсина цианобактерий – микроцистина – в тилакоидной мембране цианобактерий (Young et al., 2005).

Механизм воздействия бреветоксинов на LHCII и (или) тиоредоксин пока не определен. Предлагается три возможных сценария: 1) бреветоксин взаимодействует непосредственно с LHCII, индуцируя конформационные изменения, связанные с NPQ; 2) бреветоксин активирует ионные каналы в тилакоидной мембране, запуская этим внутриклеточный каскад передачи сигнала; и 3) происходит самосборка бреветоксинов в трансмембранную пору, запускающая движение катионов через тилакоидную мембрану.

Предполагается, что «лестничные» токсины первоначально были специфически нацелены на трансмембранные белки, расположенные в тилакоидной мембране, и лишь по совпадению оказались способными связываться с другими трансмембранными α-спиралями канальных белков высших организмов, на чем и основываются их широко изучаемые патологические эффекты. Надо отметить, что открытие внутриклеточной роли бреветоксинов, связанной с фотосинтезом в этой водоросли, не исключает внешней функции отпугивания от поедания. Действительно, показано, что вторичные метаболиты, такие как салициловая кислота, выполняют двойную роль отпугивателя от поедания и гормона и регулятора роста у растений (Rivas-San Vicente & Plasencia, 2011). Аналогичным образом, предполагается, что исходно классические нейротрансмиттеры серотонин и катехоламины являются регуляторами внутриклеточных процессов - синтеза белка и контроля клеточного цикла. И лишь затем в ходе онтогенеза эти вещества приобретают функции эмбриональных и нервных межклеточных передатчиков (Shmukler & Buznikov, 1998).

Основные ссылки

1.      Errera RM, Campbell L (2011) Osmotic stress triggers toxin production by the dinoflagellate Karenia brevis. Proc Natl Acad Sci USA 108(26):10597–10601.

2.      William G. Sunda, Cheska Burleson, D. Ransom Hardison, Jeanine S. Morey, Zhihong Wang, Jennifer Wolny, Alina A. Corcoran, Leanne J. Flewelling, and Frances M. Van Dolah. Osmotic stress does not trigger brevetoxin production in the dinoflagellate Karenia brevis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jun 18; 110(25): 10223–10228

3.      Ryan T. Cassell, Wei Chen, Serge Thomas, Li Liu, and Kathleen S. Rein. Brevetoxin, the Dinoflagellate Neurotoxin, Localizes to Thylakoid Membranes and Interacts with the LightHarvesting Complex II (LHCII) of Photosystem II. ChemBioChem, Chembiochem, 2015 May 4; 16(7):1060-1067

4.      Marco C. Inserra, Mathilde R. Israel, Ashlee Caldwell, Joel Castro, Jennifer R. Deuis, Andrea M. Harrington, Angelo Keramidas, Sonia Garcia-Caraballo, Jessica Maddern, Andelain Erickson, Luke Grundy, Grigori Y. Rychkov, Katharina Zimmermann, Richard J. Lewis, Stuart M. Brierley, Irina Vetter. Multiple sodium channel isoforms mediate the pathological effects of Pacific ciguatoxin-1. Sci Rep. 2017; 7: 42810.