Ülevaade D7 valgu struktuurist ja füsioloogilistest rollidest verd toitva nematotseera puhul, 1. osa

Lihtne kokkuvõte:

Vektorid on organismid, mis võivad nakkusohtlikke patogeene ühelt peremeesorganismilt (inimeselt või loomalt) teisele edasi kanda. Paljudel vektoritel (sealhulgas sääsed, liivakärbsed ja puugid) on üks ühine tunnus: nad on verd toitvad (hematofaagilised) lülijalgsed. Iga kord, kui nad oma selgroogset peremeest hammustavad, käivitavad naha- ja vaskulaarsed vigastused rea reaktsioone, mis võivad põhjustada verevoolu katkemise nende suuosadesse ning peremeesorganismi teadlikkust sügeluse ja valu tõttu. Sellegipoolest sisaldab nende sülg molekulide kokteili, mis on võimeline neutraliseerima neid peremeesorganismi reaktsioone (hemostaas, põletik ja immuunsus), võimaldades neil edukalt toituda.

Paljudel juhtudel süstitakse nende poolt edasikantavad patogeenid peremeesorganismi koos süljega. Seetõttu on vektorsülje koostise mõistmine ülioluline, et uurida nende bioloogiat ja vektoriaalset suutlikkust, samuti pakkuda välja uusi meetodeid nende poolt ülekantavate haiguste tõrjeks (sealhulgas uued vaktsiinikandidaadid). Oluliste süljevalguperekondade hulgas on D7, mida ekspresseeritakse ohtralt verdimevates kaksikutes ja mis on kaugelt seotud lõhnaainetega seonduvate valkudega (OBP). Siin anname põhjaliku ülevaate D7 valgu struktuurist, funktsioonist ja evolutsioonist, arutades, kuidas geenide dubleerimine ja modifikatsioonid nende OBP-sarnastes domeenides põhjustavad funktsiooni suurenemist ja kadumist erinevates hematofaagilistes Diptera liikides.

Nakkuslikud patogeenid võivad põhjustada infektsioone ja immuunsüsteem vastutab nende patogeenide eest kaitsmise ja nakkuste vältimise eest. Immuunsüsteemil on võtmeroll patogeenide tuvastamisel ja hävitamisel. Nakkuslikud patogeenid indutseerivad immuunsüsteemi tootma antikehi ja rakulisi immuunvastuseid, mis takistavad uuesti nakatumist.

Teatud patogeenid võivad aga immuunsüsteemi kaitsemehhanismidest mööda minna või neid nõrgendada, mis viib immuunsuse vähenemiseni ja suurendab seega nakatumisohtu. Näiteks võib HIV rünnata immuunsüsteemi CD4 pluss T-rakke, häirides immuunsüsteemi funktsiooni ja muutes nakatumise lihtsamaks.

Samuti võib nõrgenenud immuunsus muuta teatud infektsioonid tõsisemaks ja raskemini ravitavaks. Seetõttu on nakkushaiguste ennetamiseks ja raviks väga oluline mõista nakkustekitajate seost immuunsusega. Sellest vaatenurgast peame immuunsust parandama. Cistanche võib oluliselt parandada immuunsust. Lihas sisalduvad polüsahhariidid võivad reguleerida inimese immuunsüsteemi immuunvastust, parandada immuunrakkude stressivõimet ja tugevdada immuunrakkude bakteritsiidset toimet.

Klõpsake cistanche tubulosa osta

Abstraktne:

Iga kord, kui putukas hammustab selgroogset peremeesorganismi, vallandab augustamise põhjustatud naha- ja veresoonkonnavigastus rea reaktsioone, sealhulgas hemostaasi, põletikku ja immuunsust. Kohapeal põhjustaks see üleliigsete ja omavahel seotud reaktsioonide kogum lõpuks vere hüübimist, sügelust ja valu, mis viib peremeesorganismi teadlikkuseni, mille tulemuseks on parimal juhul toitmise katkemine. Sellegipoolest sisaldab hematofaagsete lülijalgsete sülg keerukat molekulide kokteili, mis on veretoitmise õnnestumise jaoks üliolulised.

Seni verd imevate lülijalgsete süljes kirjeldatud oluliste valguperekondade hulgas on D7, mida ekspresseeritakse ohtralt verd toitvas nematotseeras. D7 valgud on putukate lõhnaga seonduvate valkudega (OBP) kaugel suguluses ja vaatamata madalale järjestuse identsusele viis struktuurse sarnasuse jälgimine oletuseni, et nagu OBP-d, peaksid ka need siduma/sekveseerima väikseid hüdrofoobseid ühendeid. Sellesse perekonda kuuluvad liikmed jagunevad lühikesteks ja pikkadeks vormideks, mis sisaldavad vastavalt ühte või kahte OBP-sarnast domeeni. Siin anname ülevaate D7 valgu struktuurist ja funktsioonist, arutades, kuidas geenide dubleerimine ja mõned nende OBP-sarnaste domeenide modifikatsioonid evolutsiooni käigus põhjustavad erinevate hematofaagiliste Diptera liikide funktsiooni suurenemist ja kadumist.

Märksõnad:

D7 valgud; lõhnaaineid siduvad valgud; vektorbioloogia; hematofagia; vektor sülg; hemostaas; põletik.

1. Sissejuhatus

Vektori kaudu levivad haigused on sümptomite, omaduste, etioloogiliste tegurite ja nende vektorite poolest üsna mitmekesised. Vaatamata sellele mitmekesisusele on enamiku tuntud vektorite ühine joon tõsiasi, et tegemist on hematofaagide lülijalgsetega. Võime toituda verest esitab palju väljakutseid, sealhulgas võime leida peremeesorganismi, läbistada tema nahka ja leida vereallikas, imeda verd, et seda hiljem seedida, ja toime tulla selle seedimisel tekkiva oksüdatiivse stressiga (vaadatud artiklites [1–3]). ).

Iga kord, kui putukas oma selgroogset peremeest hammustab, vallandavad naha- ja veresoontevigastused rea reaktsioone, sealhulgas hemostaasi, põletikku ja immuunsust [1,2,4–8]. Need keerulised ja üleliigsed bioloogilised protsessid on omavahel seotud ja võimelised levima tänu paljude vahendajate klasside, sealhulgas eikosanoidide, biogeensete amiinide, hüübimis- ja komplementtegurite tootmisele/sekretsioonile.

Kohapeal põhjustaksid need verevoolu katkemise hematofaagilise lülijalgse suuosadesse (veresoonte ahenemise, trombotsüütide agregatsiooni ja vere hüübimise tõttu) ja vallandavad peremeesorganismi teadlikkuse (sügeluse ja valu tõttu). Sellegipoolest sisaldab verd toitvate lülijalgsete sülg võrdselt keerulist ja üleliigset molekulide segu, mis on võimeline neutraliseerima peremeesorganismi kaitsemehhanisme, millel on hematofaagia õnnestumises keskset rolli (vaadatud punktides [1, 2, 4–8]). Tõepoolest, nagu Ribeiro varem väitis, on hematofaagilised lülijalgsed "elusad süstlad" ja nende sülg on endiselt suhteliselt kasutamata farmakoloogiliselt aktiivsete molekulide allikas [4].

Antikoagulantide molekulide esinemisest hematofaagiliste lülijalgsete süljes teatati esimest korda eelmise sajandi alguses [9,10] ja sülje sekretsiooni tähtsust veretoitmisel pakuti esmakordselt välja 800. aastatel [11–13]. . Siiski oli sülje koostis ja selle komponentide spetsiifiline funktsioon endiselt halvasti mõistetav. Laiaulatusliku järjestuse ja proteoomika kasutamine viimastel aastakümnetel võimaldas paremini mõista sülje koostist, kuid näitas ka selle keerukust ja seda, kui vähe on teada [2, 14]. Kuna hematofaagia on lülijalgsete evolutsiooni käigus mitu korda iseseisvalt tekkinud, ilmnes erinevate putukate seas või isegi samas perekonnas palju viise selle harjumuse tekitatud väljakutsetega toimetulemiseks, mille tulemuseks on valkude repertuaari suur varieeruvus, et neutraliseerida peremeesorganismi kaitsemehhanisme. hammustus [2,4,5,7,15,16].

Seni verdimevate lülijalgsete süljes kirjeldatud oluliste valguperekondade hulgas on D7, mida ekspresseeritakse ohtralt hematofaagilistes kaksikutes [17–19] ja mis on kaugelt seotud putukate lõhnaainetega seonduvate valkudega (OBP) / feromooni siduvate valkudega (PBP). .

Putukate puhul on OBP-d tavaliselt vahemikus 100 kuni 160 jääki, kuid nagu on täheldatud mõnede liikmete puhul, mis kuuluvad "atüüpilistesse/kahe domeeni" või "pluss C" alamperekonda, mida kirjeldatakse Diptera's, kus võib olla kuni 300 aminohapet [20-22 ]. Neid esineb erinevates järjekordades ja annoteeritud OBP geenide arv varieerub erinevate liikide lõikes, samuti aminohappejärjestus.

Sellegipoolest on nende tsüsteiinid väga konserveerunud – klassikaliselt 6, kuigi see arv võib varieeruda 4-st miinus C OBP-des kuni 8 pluss OBP-des kuni isegi 9 või 10-ni – paiknevad polüpeptiidahelas, kusjuures mõnede nende vahel on signatuurkaugus [20,21 ,23]. Erinevalt selgroogsete OBP-dest, mis on kõik valgud, mis kuuluvad lipokaliinide supersugukonda (SCOP: 3001332), klassifitseeritakse putukate OBP-d täisvalkudeks ja kuuluvad putukate feromooni/lõhnaainet siduvasse superperekonda (SCOP ID: 4000957). Vaatamata liikmetevahelisele madalale järjestuse identsusele on klassikaliselt putukate OBP-del väga iseloomulik tertsiaarne struktuur, kus 6 -heeliksid on tavaliselt stabiliseeritud 3 disulfiidsidemega, mis moodustavad sidumisõõnsuse (joonis 1A), mida ümbritsevad hüdrofoobsed jäägid [20,24–26 ]. Nende primaarse struktuuri suur arv ja mitmekesisus, säilitades samal ajal üldise arhitektuuri, muutsid nad ligandide osas väga mitmekülgseks, kuid neil kõigil on üks ühine omadus: nende võime/potentsiaal siduda väikseid hüdrofoobseid molekule.

Sellegipoolest piirduvad D7 valgud verd toitva Nematocera'ga, kus neid süljenäärmetes rohkesti ekspresseeritakse. Selle perekonna liikmed liigitatakse (1) lühikesteks vormideks (D7S), tuntud ka kui D7-ga seotud (D7r), molekulmassiga umbes 15–17 kDa ja mis sisaldavad ühte OBP-sarnast domeeni (joonis 1B); (2) pikad vormid (D7L), mille molekulmass on umbes 30–38 kDa ja mis koosnevad kahest OBP sarnasest domeenist (joonis 1C). Nagu Arcà ja kolleegid [27] esmalt välja pakkusid ja hiljem röntgendifraktsioonikristallograafiaga [7, 28–30] täheldasid, on D7 valgu domeenide arhitektuur vaatamata nende madalale järjestuse sarnasusele OBP-dega väga sarnane OBP-dega, koosnedes: heeliksid (tavaliselt siiski 7–8 -heeliksid 6 asemel), moodustades hüdrofoobse tasku (joonis 1B, C), mis sobib hüdrofoobsete molekulide sidumiseks, nagu allpool täpsemalt käsitletakse.

Enamik seni iseloomustatud D7 valke leiti verdimevate Diptera süljest, kus need toimivad hemostaatilise ja/või põletikuvastase molekulina, hõlbustades vere toitmist. Käesolevas artiklis anname põhjaliku ülevaate D7 ja D7-nagu valgu struktuurist, funktsioonist ja evolutsioonist, võrreldes mõningaid aspekte lülijalgsete OBP-de ja teiste vektori füsioloogiaga seotud valguperekondadega.

2. D7-d: esimese geeni kirjeldusest vihjeteni nende mitmekesisuse, leviku ja funktsioonide kohta

Esimene D7 valku kodeeriv geen eraldati ja seda kirjeldati 1991. aastal ajakirjas Aedes aegypti [31], mida ekspresseeritakse rikkalikult ja eranditult naiste süljenäärmetes, mis toodavad 37 kDa valku. In situ hübridisatsioon, kasutades tükeldatud emaste süljenäärmeid, mida uuriti selle geeni kodeeriva piirkonna jaoks antisenss-RNA-ga, näitas, et selle ekspressioon oli peamiselt distaalses lateraalses ja mediaalses lobus, piirkondades, mis on emastel (hematofaagid) meestel (fütofaagidel) võrreldes väga hästi diferentseeritud. , mis viitab sellele, et selle toode oli suure tõenäosusega seotud verega toitmisega. Hiljem, teedrajavas uuringus, mille eesmärk oli tuvastada geene, mida ekspresseeriti ainult Anopheles gambiae süljenäärmes ja mille tooted sisaldasid signaalpeptiide, eraldati kuus cDNA-d.

Kolm neist, mida näidati olevat rohkesti ekspresseeritud naiste süljenäärmetes, kodeerisid transkripte, mis olid sarnased, ehkki lühemad, eelnevalt kirjeldatud Aedes aegypti D7-ga, mis viitab sellele, et tegemist oli uue valguperekonnaga. Kõik kolm olid täielikult joondatud Aedes D7 C-terminaalse domeeniga, seetõttu nimetatakse neid D7--seotud valkudeks (D7r): D7r1–D7r3 [32]. Samuti ekspresseeriti neid naiste distaalsetes külgsagaras, kuigi ainult üks neist (D7r1) ekspresseeriti ka mediaalsetes lobides [32].

Mõni aasta hiljem leiti Anopheles gambiae naiste süljenäärmetes ka neljas D7r (D7r4), mis asus kolme ülejäänud vormi lähedal, moodustades kromosoomil 3R klastri [27]. Joondatuna olid nende nelja transkripti sarnasused vahemikus 53 kuni 73 protsenti ja väga oluline, et neil oli madal sarnasus OBP-de ja feromooni siduvate valkudega (PBP), kuid nende 4 tsüsteiini paiknesid antenniga seotud konserveeritud positsioonides. ja mitteantennilised OBP-d. Vaatamata järjestuste vähesele sarnasusele viitas sekundaarse struktuuri ennustamine struktuursetele sarnasustele OBP-dega, mistõttu oletati, et D7-del võib olla ka hüdrofoobne sidumistasku, mida ümbritsevad -heeliksid ja mis on võimelised siduma või kandma väikeseid hüdrofoobseid molekule, tõenäoliselt peremeesreaktsioonides osalevaid vahendajaid (nagu põletik ja hemostaas), arvestades asjaolu, et neid oli rohkesti ja ainult naiste süljes [27].

Asjaolu, et need An. gambiae lühivormid, mis on joondatud Ae C-terminaliga. aegypti D7L ja et Southern blot testid, mis leiti teisi lähedalt seotud liikide liikmeid, suurendasid võimalust, et selle geeniperekonna liikmed võivad esineda ka teistes sääseliikides ja et nende geenide poolt kodeeritud erineva pikkusega valkudel võivad olla sarnased funktsioonid, kuid erinevad sihtmärgid. nende esmase struktuuri erinevused [27].

Tõepoolest, Suwan ja kaastöötajad teatasid esimest korda, et geenid, mis kodeerivad ühte D7L ja 2 D7-seotud (lühike) vormi Anopheles stephensi süljenäärmes, ning Western blot analüüs polüklonaalse antikehaga, mis on toodetud pika vormi valgu äratundmiseks. reaktsioonivõime ka D7rsiga [33]. See oli esimene aruanne, mis näitas, et sama liigi puhul võib tõepoolest leida pikki ja lühikesi vorme. Seejärel teatasid järgnevad uuringud selle perekonna teiste liikmete esinemisest erinevates sääseliikides (sugukond Culicidae), sealhulgas Anopheles arabiensis, Aedes aegypti ja Anopheles darlingi [17,18], aga ka teistes Psychodidae perekonda kuuluvates hematofaagilistes Dipterades. liivkärbsed) [17].

Kokkuvõttes viitasid need uuringud kindlalt sellele, et: (1) D7 oli valkude perekond, mis on tõenäoliselt hematofaagilistes kaksikutes levinud ja ekspresseeriti ainult emaste süljenäärmetes, mistõttu neil võib olla oluline roll verega toitmises; (2) erineva pikkuse ja aminohappejärjestusega D7 valgud esinesid erinevates liikides ja samas liigis, tõenäoliselt mitmekesisust tekitava geenide dubleerimise tulemusena; (3) nende oletatavad sihtmärgid peaksid olema väikesed hüdrofoobsed molekulid, nagu põletiku- ja/või hemostaasi vahendajad [27,33]. Sellegipoolest oli nende funktsioon endiselt raskesti mõistetav.

3. Sülje D7 valgud on põletikuvastased ja hemostaatilised molekulid

D7 ja teiste verd imeva Nematocera süljes esinevate OBP-sarnaste valkude esmane struktuur võib varieeruda, mis põhjustab funktsiooni suurenemist ja kaotust, hoolimata mõne põhiomaduse ja üldise arhitektuuri säilitamisest, nagu on täheldatud paljudes OBP-des. Tabelis 1 on kokku võetud erinevate liikide süljes seni kirjeldatud D7 ja D{5}}sarnased valgud ja nende ligandid ning esitatakse nende valguandmepanga (PDB) registreerimisnumber, kui see on asjakohane. Üksikasju ja füsioloogilist tähtsust käsitletakse allpool.

3.1. Võtke ühendust raja inhibiitoritega

Esimene D7, mille funktsiooni iseloomustati, oli lühike vorm (D7r), nimega Hamadarin [35], mida väljendati Anopheles stephensi emaste SG-s. Selle lähim D7 on väljendatud An. gambiae oleks D7r1. Näidati, et hamadariin seob XII faktorit (FXII) ja suure molekulmassiga kininogeeni (HMWK), inhibeerides seega kontaktraja aktivatsiooni ja sellest tulenevalt bradükiniini tootmist, toimides põletikuvastase molekulina. Sellegipoolest toimus mõlemal juhul pinnaplasmonresonantsi (SPR) poolt uuritud interaktsioon FXII ja HMWK-ga ainult Zn2 plusi juuresolekul ja see ei mõjutanud aktiveeritud tegurite amidolüütilist aktiivsust. Pigem oli selle inhibeeriv toime kontaktraja aktivatsioonile tingitud selle sekkumisest FXII ja kallikreiini vastastikusesse aktivatsiooni, mis peaks ilmnema nende interaktsioonil laetud pindadega [35]. Mõni aasta hiljem iseloomustati teist Anopheles stephensi (Anophensin) süljes leiduvat kontaktraja aktivatsiooni inhibiitorit ja näidati, et sellel on Hamadariiniga sarnased sihtmärgid, kuid see kuulus täiesti erinevasse valgu perekonda [42].

Märkimisväärne on see, et liivakärbse süljes [43–45] kõige enam ekspresseeritud valkude hulgas on valkude rühm, mis kuulub samuti OBP superperekonda, mida sääskedes ei leidu ja mis erinevad D7 valkudest. Nad pälvisid esmalt tähelepanu mitte ainult nende arvukuse pärast, vaid seetõttu, et nad tuvastati leishmaniaasi vastase vaktsiini kandidaatidena [46, 47]. Vaid enam kui kümme aastat hiljem iseloomustati Phlebotomus duboscqi süljes kahte selle rühma liiget: PdSP15a ja PdSP15b (vastavalt P. duboscqi süljeproteiin 15 a ja b). Mõlemad on üksteisega väga sarnased ja pärsivad kontaktraja aktivatsiooni ja bradükiniini tootmist [41], kuid läbi mehhanismi, mis erineb Hamadariini puhul kirjeldatust [35]. PdSP15a ja b ei seostu ühegi hüübimisfaktoriga (sümogeenid või aktiveeritud vormid), kallikreiiniga ega prekallikreiiniga. Nende toime seisneb aga negatiivselt laetud polümeeride, nagu dekstraansulfaat (DS), polüfosfaat (PP) ja hepariin, sidumise kaudu, takistades nende koostoimet FXII-ga, mis on vajalik selle automaatseks lõhustamiseks, mis käivitab selle aktiveerimise, ja sellele järgneva kontaktraja aktivatsiooni leviku kaudu. FXII ja plasma prekallikreiini (PK) vastastikune aktiveerimine, samuti FXI aktiveerimine trombiini ja FXIIa poolt. On oluline, et kuigi klassikalistel OBP-del ja D7-del on hüdrofoobne tasku, kus nende väike hüdrofoobne ligand seondub, näitavad struktuuriandmed, et selle toimemehhanism on anioonse pinna ja negatiivselt laetud ligandide vaheline elektrostaatiline interaktsioon, mitte mis tahes seondumine hüdrofoobses õõnsuses [41, 47]. .

Plasma hüübimiskaskaadi võib käivitada kaks erinevat haru: (1) välimine rada, mis algab siis, kui faktor VII (FVII) aktiveerub seondumisel subendoteliaalse koefaktoriga (TF), mis on eksponeeritud pärast veresoonte vigastust. (2) Kontaktrada, tuntud ka kui sisemine rada, käivitatakse FXII kuni FXIIa aktiveerimisel, mille käivitab selle kontakt negatiivselt laetud pindadega. Mõlemad rajad lähenevad pärast mitmeid reaktsioone ühisele rajale FX-i aktiveerimise kaudu, mis lõpuks viib fibrinogeeni lõhustumiseni fibriiniks, mis on trombide moodustamiseks hädavajalik [48, 49]. Viimastel aastatel on laialdaselt uuritud ravimeid, mis on suunatud sisemistele (kontakt)raja komponentidele, nagu FXII ja FXI, kuna on näidatud, et hiired, kellel puudub FXII, olid kaitstud trombide moodustumise eest, kuid neil ei olnud suuri veritsushäireid [50–52], mis viitab sellele, et see rada on oluline patoloogilise koagulatsiooni jaoks.

Aktiveerimisel lõhustab faktor XII plasma prekallikreiini (PK), tekitades kallikreiini, mis lisaks FXII-ga vastastikusele aktiveerimisele katalüüsib ka bradükiniini genereeriva HMWK hüdrolüüsi (kallikreiin-kiniini süsteem) [53]. Bradükiniin on võimas põletikuvastane vahendaja, mis suurendab endoteeli läbilaskvust [48,54] ja valu [55]. Seetõttu mängiks kontaktraja inhibiitorite olemasolu hematofaagiliste lülijalgsete süljes olulist rolli põletikuvastaste molekulidena, vähendades bradükiniini tootmist (nagu on näidatud D7s/OBP-sarnaste valkude hamada puhul [35] ja PdSP15s [41]). , ja inhibeerides/tõkestades kontaktraja aktivatsioonist põhjustatud plasmaleket, nagu on kirjeldatud PdSP15 puhul [41].

For more information:1950477648nn@gamil.com