Преглед на структурата на D7 протеина и физиологичните роли в хранещи се с кръв Nematocera Част 1

Просто резюме:

Векторите са организми, които могат да предават инфекциозни патогени от един гостоприемник (човек или животно) на друг. Много вектори (включително комари, пясъчни мухи и кърлежи) имат една обща характеристика: те са кръвохранещи се (хемофаги) членестоноги. Всеки път, когато ухапят своя гръбначен гостоприемник, нараняването на кожата и кръвоносните съдове предизвиква поредица от реакции, които на място могат да доведат до прекъсване на притока на кръв към устата им и до осъзнаване на гостоприемника поради сърбеж и болка. Независимо от това, тяхната слюнка съдържа коктейл от молекули, способни да противодействат на тези реакции на гостоприемника (хемостаза, възпаление и имунитет), което им позволява да се хранят успешно.

Много пъти патогените, които предават, се инжектират в гостоприемника със слюнка. Следователно разбирането на състава на векторната слюнка е от решаващо значение за изучаване на тяхната биология и техния векторен капацитет, както и за предлагане на нови методи за контрол на болестите, които предават (включително нови кандидати за ваксина). Сред важните семейства на слюнчените протеини е D7, изобилно експресиран в кръвосмучещите Diptera и далечно свързан с одорант-свързващите протеини (OBP). Тук предоставяме обширен преглед на структурата, функцията и еволюцията на протеина D7, обсъждайки как генното дублиране и модификации в техните OBP-подобни домейни водят до усилване и загуба на функция при различни видове хематофаги Diptera.

Инфекциозните патогени могат да причинят инфекции и имунната система е отговорна за защитата срещу тези патогени и предотвратяването на възникване на инфекция. Имунната система играе ключова роля в идентифицирането и унищожаването на патогените. Инфекциозните патогени индуцират имунната система да произвежда антитела и клетъчни имунни отговори, които предотвратяват повторната инфекция.

Някои патогени обаче могат да заобиколят или отслабят защитните механизми на имунната система, което води до намаляване на имунитета и по този начин увеличава риска от инфекция. Например ХИВ може да атакува CD4 плюс Т клетките на имунната система, нарушавайки функцията на имунната система и улеснявайки инфекцията.

Освен това отслабеният имунитет може да направи някои инфекции по-сериозни и трудни за лечение. Следователно разбирането на връзката между инфекциозните патогени и имунитета е много важно за превенцията и лечението на инфекциозни заболявания. От тази гледна точка трябва да подобрим имунитета. Цистанче може значително да подобри имунитета. Полизахаридите в месото могат да регулират имунния отговор на човешката имунна система, да подобрят стресовата способност на имунните клетки и да засилят бактерицидния ефект на имунните клетки.

Щракнете върху Cistanche tubulosa купете

Резюме:

Всеки път, когато насекомо ухапе гръбначно гостоприемник, нараняването на кожата и кръвоносните съдове, причинено от пиърсинг, предизвиква поредица от реакции, включително хемостаза, възпаление и имунитет. На място този набор от излишни и взаимосвързани реакции в крайна сметка би причинил коагулация на кръвта, сърбеж и болка, водещи до осъзнаване на гостоприемника, което в най-добрия случай би довело до прекъсване на храненето. Независимо от това, слюнката на хематофагните членестоноги съдържа сложен коктейл от молекули, които са от решаващо значение за успеха на кръвоснабдяването.

Сред важни семейства протеини, описани досега в слюнката на кръвосмучещи членестоноги, е D7, изобилно експресиран в хранещи се с кръв Nematocera. D7 протеините са далечно свързани с одорант-свързващите протеини на насекоми (OBP) и въпреки ниската идентичност на последователността, наблюдението на структурното сходство доведе до предположението, че подобно на OBP, те трябва да свързват/изолират малки хидрофобни съединения. Членовете, принадлежащи към това семейство, са разделени на къси форми и дълги форми, съдържащи съответно един или два OBP-подобни домейна. Тук предоставяме преглед на структурата и функцията на протеина D7, обсъждайки как генното дублиране и някои модификации в техните OBP-подобни домейни по време на еволюцията водят до усилване и загуба на функция сред различните видове хематофаги Diptera.

Ключови думи:

D7 протеини; протеини, свързващи ароматизатори; векторна биология; хематофагия; векторна слюнка; хемостаза; възпаление.

1. Въведение

Трансмисионните болести са доста разнообразни по отношение на симптоми, характеристики, етиологични агенти и техните вектори. Въпреки това разнообразие, обща черта, споделяна от повечето известни вектори, е фактът, че те са хематофаги членестоноги. Способността да се храниш с кръв поставя много предизвикателства, включително способността да намериш гостоприемника, да пробиеш кожата му и да намериш източник на кръв, да изсмучеш кръвта, за да я усвоиш по-късно, и да се справиш с оксидативния стрес, генериран от нейното храносмилане (прегледано в [1–3] ).

Всеки път, когато насекомо ухапе своя гръбначен гостоприемник, нараняването на кожата и кръвоносните съдове предизвиква поредица от реакции, включително хемостаза, възпаление и имунитет [1,2,4–8]. Тези сложни и излишни биологични процеси са взаимосвързани и способни да се разпространяват поради производството/секрецията на много класове медиатори, включително ейкозаноиди, биогенни амини, коагулация и фактори на комплемента.

На място те биха причинили прекъсване на притока на кръв към устата на членестоногия хематофаг (поради съдова констрикция, агрегация на тромбоцитите и коагулация на кръвта) и биха предизвикали осъзнаване на гостоприемника (поради сърбеж и болка). Независимо от това, слюнката на хранещите се с кръв членестоноги съдържа еднакво сложна и излишна комбинация от молекули, способни да противодействат на защитните сили на гостоприемника, играещи ключова роля в успеха на хематофагията (прегледано в [1,2,4–8]). Наистина, както беше посочено преди от Ribeiro, хематофагните членестоноги са "живи спринцовки" и тяхната слюнка все още е относително неизползван източник на фармакологично активни молекули [4].

Наличието на антикоагулантни молекули в слюнката на хематофагните членестоноги е съобщено за първи път в началото на миналия век [9,10], а демонстрацията на значението на слюнчената секреция при храненето с кръв е предложена за първи път през 800-те години [11–13] . И все пак, съставът на слюнката и специфичната функция на нейните компоненти все още бяха слабо разбрани. Използването на широкомащабно секвениране и протеомика през последните десетилетия позволи по-добро разбиране на състава на слюнката, но също така разкри нейната сложност и колко малко се знае [2,14]. Тъй като хематофагията е възниквала независимо няколко пъти по време на еволюцията на членестоногите, много начини за справяне с предизвикателствата, наложени от този навик, се появяват сред различните разреди насекоми или дори в рамките на един и същи род, което води до голямо разнообразие в репертоара от протеини за противодействие на защитата на гостоприемника срещу захапката [2,4,5,7,15,16].

Сред важните семейства протеини, описани досега в слюнката на кръвосмучещи членестоноги, е D7, изобилно експресиран в хематофагите Diptera [17–19] и отдалечено свързан с одорант-свързващи протеини (OBP)/ феромон-свързващи протеини (PBP) на насекоми .

При насекомите OBPs обикновено варират от 100 до 160 остатъка, но както се наблюдава за някои членове, принадлежащи към "атипични/два домейна" или "Плюс С" подсемейства, описани в Diptera, които могат да имат до 300 аминокиселини [20-22 ]. Те присъстват в различни порядъци и броят на анотираните OBP гени варира много сред различните видове, както и аминокиселинната последователност.

Независимо от това, техните цистеини са силно запазени - класически 6, въпреки че този брой може да варира от 4 в минус C OBPs до 8 в плюс OBPs дори до 9 или 10 - позиционирани в рамките на полипептидната верига с характерно разстояние между някои от тях [20,21 ,23]. За разлика от OBP на гръбначни, които са изцяло протеини, принадлежащи към суперсемейството на липокалините (SCOP: 3001332), OBP на насекоми се класифицират като изцяло протеини и принадлежат към суперсемейството на феромони/свързващи ароматизатори на насекоми (SCOP ID: 4000957). Въпреки ниската идентичност на последователността между членовете, класическите OBP на насекоми имат много характерна третична структура, с 6 -спирали, обикновено стабилизирани от 3 дисулфидни връзки, образуващи свързваща кухина (Фигура 1А), заобиколена от хидрофобни остатъци [20,24–26 ]. Големият брой и разнообразието на тяхната първична структура, при запазване на цялостната архитектура, ги прави много гъвкави по отношение на лиганди, но всички с една обща характеристика: тяхната способност/потенциал да свързват малки хидрофобни молекули.

D7 протеините, въпреки това, са ограничени до хранещи се с кръв Nematocera, където те са изобилно експресирани в техните слюнчени жлези. Членовете на това семейство са класифицирани в (1) къси форми (D7S), известни също като D7 свързани (D7r), с молекулно тегло около 15–17 kDa, съдържащи един OBP-подобен домейн (Фигура 1B); (2) дълги форми (D7L), с молекулни тегла около 30–38 kDa, съставени от два домена, подобни на OBP (Фигура 1C). Както беше предложено за първи път от Arcà и колеги [27] и по-късно наблюдавано чрез рентгенова дифракционна кристалография [7, 28–30], въпреки техните ниски прилики на последователности с OBPs, архитектурата на D7 протеиновите домейни е много подобна на OBPs, като се състои от - спирали (обикновено 7–8 -спирали, въпреки че вместо 6), образувайки хидрофобен джоб (Фигура 1B, C), подходящ за свързване на хидрофобни молекули, както ще бъде допълнително обсъдено по-долу.

Повечето от D7 протеините, характеризирани досега, са открити в слюнката на кръвосмучещи Diptera, където действат като антихемостатични и/или противовъзпалителни молекули, улеснявайки кръвоснабдяването. В настоящата статия предоставяме изчерпателен преглед на структурата, функцията и еволюцията на протеини, подобни на D7 и D7-, като сравняваме някои аспекти с OBP на членестоноги и други протеинови семейства, свързани с векторната физиология.

2. D7s: От описанието на първия ген до улики относно тяхното разнообразие, разпространение и функции

Първият ген, кодиращ D7 протеин, е изолиран и описан през 1991 г. в Aedes aegypti [31], за който е показано, че е изобилно и изключително експресиран в женските слюнчени жлези, произвеждащи 37 kDa протеин. Хибридизацията in situ с използване на разрязани женски слюнчени жлези, изследвани с антисенс РНК за кодиращия регион на този ген, разкри, че неговата експресия е главно в дисталните странични и медиални лобове, области, които са много добре диференцирани при женските (хематофаги) в сравнение с мъжете (фитофаги) , което предполага, че неговият продукт е много вероятно да участва в кръвоснабдяването. По-късно, в пионерско проучване, целящо да идентифицира гени, които са били експресирани изключително в слюнчените жлези на Anopheles gambiae и чиито продукти съдържат сигнални пептиди, са изолирани шест кДНК.

Три от тях, за които е доказано, че са обилно експресирани в женските слюнчени жлези, кодират транскрипти, подобни, макар и по-къси, на описания по-рано Aedes aegypti D7, което предполага, че това е ново протеиново семейство. И трите се подравняват напълно с Aedes D7 С-терминалния домен, поради което са наречени D7-свързани протеини (D7r): D7r1–D7r3 [32]. По същия начин те бяха експресирани в женски дистални странични лобове, въпреки че само един от тях (D7r1) беше експресиран и в медиалните лобове [32].

Няколко години по-късно, четвърти D7r (D7r4) също беше открит в женските слюнчени жлези на Anopheles gambiae и беше показано, че е разположен близо до другите три форми, образувайки клъстер на хромозома 3R [27]. Когато са подравнени, тези 4 транскрипта имат прилики между тях, вариращи от 53 до 73 процента, и което е много важно, те имат ниско ниво на сходство с OBPs и феромон-свързващи протеини (PBP), но техните 4 цистеина са разположени на запазени позиции, свързани с антената и неантенни OBP. Въпреки ниското сходство на последователностите, предсказанието на вторичната структура предполага структурни сходства с OBPs, следователно се постулира, че D7s може също да имат хидрофобен свързващ джоб, заобиколен от -спирали и да са способни да свързват или пренасят малки хидрофобни молекули, вероятно медиатори, участващи в реакциите на гостоприемника (като възпаление и хемостаза), предвид факта, че те са изобилни и изключително за женската слюнка [27].

Фактът, че тези Ан. gambiae къси форми, подравнени с С-края на Ae. aegypti D7L и че Southern blot анализите са открили други членове в тясно свързани видове, повдигнаха възможността членовете на това генно семейство да присъстват в други видове комари и че протеини с различна дължина, кодирани от тези гени, могат да имат подобни функции, но различни цели поради до разлика в първичната им структура [27].

Наистина, Suwan и колеги съобщават за първи път за гени, кодиращи една D7L и 2 D7-свързани (къси) форми в слюнчената жлеза на Anopheles stephensi, и Western blot с поликлонално антитяло, произведено за разпознаване на протеина с дълга форма, е кръстосано реактивност също и с D7rs [33]. Това беше първият доклад, показващ, че наистина дълги и кратки форми могат да бъдат намерени в един и същи вид. След това последващи проучвания съобщават за присъствието на други членове на това семейство в различни видове комари (семейство Culicidae), включително Anopheles arabiensis, Aedes aegypti и Anopheles darlingi [17,18], както и в други хематофаги Diptera, принадлежащи към семейството Psychodidae ( пясъчни мухи) [17].

Като цяло тези проучвания силно предполагат, че: (1) D7 е семейство от протеини, вероятно широко разпространени в хематофагите Diptera, изключително експресирани в женските слюнчени жлези, следователно те може да имат важна роля в кръвоснабдяването; (2) D7 протеини, различни по дължина и аминокиселинна последователност присъстваха в различни видове и в рамките на един и същи вид, вероятно в резултат на генно дублиране, генериращо разнообразие; (3) техните предполагаеми цели трябва да бъдат малки хидрофобни молекули, като медиатори на възпаление и/или хемостаза [27,33]. Въпреки това тяхната функция все още беше неуловима.

3. Слюнчените D7 протеини са противовъзпалителни и антихемостатични молекули

D7 и други OBP-подобни протеини, присъстващи в слюнката на кръвосмучещите Nematocera, могат да имат променливост в тяхната първична структура, което води до усилване и загуба на функция въпреки запазването на някои ключови характеристики и обща архитектура, както се наблюдава при много OBP. Таблица 1 обобщава D7 и D7-подобни протеини, описани досега в слюнката на различни видове, и техните лиганди и предоставя техния номер за достъп до банката за протеинови данни (PDB), където е приложимо. Подробностите и физиологичното значение са обсъдени по-долу.

3.1. Инхибитори на контактния път

Първият D7, чиято функция е характеризирана, е кратка форма (D7r), наречена Hamadarin [35], изразена в SG на Anopheles stephensi женски. Неговият най-близък D7 е изразен в An. gambiae ще бъде D7r1. Доказано е, че хамадарин свързва фактор XII (FXII) и кининоген с високо молекулно тегло (HMWK), следователно инхибира активирането на контактния път и следователно производството на брадикинин, действайки като противовъзпалителна молекула. Независимо от това, и в двата случая взаимодействието с FXII и HMWK, изследвано чрез повърхностен плазмонен резонанс (SPR), се проявява само в присъствието на Zn2 плюс и не повлиява амидолитичната активност на активирани фактори. По-скоро неговият инхибиторен ефект върху активирането на контактния път се дължи на намесата му в реципрочното активиране на FXII и каликреин, което трябва да възникне при тяхното взаимодействие със заредени повърхности [35]. Няколко години по-късно друг инхибитор на активиране на контактния път, присъстващ в слюнката на Anopheles stephensi (Anophensin), беше характеризиран и показа, че има подобни мишени на Hamadarin, но принадлежи към напълно различно протеиново семейство [42].

Трябва да се отбележи, че сред най-експресираните протеини в слюнката на пясъчна муха [43–45] е група протеини, които също принадлежат към суперсемейството OBP, не се срещат в комарите и са различни от D7 протеините. Те първо привлякоха внимание не само заради изобилието си, но и защото бяха идентифицирани като кандидати за ваксина срещу лайшманиоза [46,47]. Само повече от десетилетие по-късно двама членове на тази група бяха характеризирани в слюнката на Phlebotomus duboscqi: PdSP15a и PdSP15b (P. duboscqi слюнчен протеин 15 a и b, съответно). И двата са много сходни един с друг и инхибират активирането на контактния път и производството на брадикинин [41], но чрез механизъм, различен от описания за Hamadarin [35]. PdSP15a и b не се свързват с никакъв коагулационен фактор (зимогени или активирани форми), каликреин или прекаликреин. Тяхното действие обаче е чрез свързване на отрицателно заредени полимери като декстран сулфат (DS), полифосфат (PP) и хепарин, предотвратявайки взаимодействието им с FXII, необходимо за неговото автоматично разцепване, което задейства неговото активиране, и последващо разпространение на активирането на контактния път през реципрочно активиране на FXII и плазмения прекаликреин (PK), както и активиране на FXI от тромбин и FXIIa. Важно е, че докато класическите OBPs и D7s имат хидрофобен джоб, където се свързва техният малък хидрофобен лиганд, структурните данни предполагат, че неговият механизъм на действие е чрез електростатично взаимодействие между неговата анионна повърхност и отрицателно заредени лиганди, а не чрез свързване в хидрофобна кухина [41,47] .

Каскадата на плазмената коагулация може да бъде инициирана от два различни клона: (1) външният път, иницииран, когато фактор VII (FVII) се активира при свързване със субендотелиален тъканен фактор (TF), изложен след съдово увреждане. (2) Контактният път, известен също като вътрешен път, се инициира при активиране на FXII до FXIIa, задействано от неговия контакт с отрицателно заредени повърхности. И двата пътя след поредица от реакции се сливат към общия път чрез FX активиране, което в крайна сметка води до разцепване на фибриногена до фибрин, който е от съществено значение за образуването на съсирек [48,49]. През последните години лекарства, насочени към компоненти на вътрешния (контактен) път като FXII и FXI, бяха обстойно изследвани, тъй като беше показано, че мишките без FXII са защитени от образуване на тромби, като същевременно нямат сериозни нарушения на кръвосъсирването [50–52], което предполага, че този път е важни за патологичната коагулация.

При активиране, фактор XII разцепва плазмения прекаликреин (PK), генериращ каликреин, който в допълнение към реципрочното активиране с FXII също катализира хидролизата на HMWK, генериращ брадикинин (каликреин-кининова система) [53]. Брадикининът е мощен провъзпалителен медиатор, който повишава ендотелната пропускливост [48,54] и болката [55]. Следователно, наличието на инхибитори на контактния път в слюнката на хематофагни членестоноги би играло важна роля като противовъзпалителни молекули чрез намаляване на производството на брадикинин (както е показано за D7s/OBP-подобни протеини хамада в [35] и PdSP15s [41]) и чрез инхибиране/предотвратяване на изтичане на плазма, предизвикано от активиране на контактния път, както се съобщава за PdSP15s [41].

For more information:1950477648nn@gamil.com