Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (University of California — San Francisco) и Университета Квинсленда (University of Queensland) обнаружили токсин скорпиона, который нацелен на «рецептор васаби», химически чувствительный белок в нервных клетках. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Cell.
Введение
Поскольку токсин вызывает болевую реакцию через ранее неизвестный механизм, ученые считают, что он может быть использован в качестве инструмента для изучения хронической боли и воспаления и может в конечном итоге привести к разработке новых видов неопиоидных болеутоляющих средств.
Материалы и методы обследования
Ученые выделили токсин, короткий белок (или пептид), который они назвали «токсином рецептора васаби» (WaTx), из яда австралийского черного скорпиона.
Результаты научной работы
Это открытие произошло, когда ученые проводили систематический поиск соединений в яде животных, которые могли бы активировать и, следовательно, использоваться для исследования и изучения рецептора васаби — сенсорного белка, официально названного TRPA1 (произносится как «трип А1»), который встроен в сенсорные нервные окончания. При активации TRPA1 открывается канал, который позволяет ионам натрия и кальция проникать в клетку, что может вызывать боль и воспаление.
«TRPA1 можно сравнить с пожарной тревогой организма на воздействие химических раздражителей в окружающей среде», — объясняет автор исследования Джон Лин Кинг (John V. Lin King). «Когда этот рецептор сталкивается с потенциально вредным соединением, в частности, с классом химических веществ, известных как «реактивные электрофилы», это может нанести значительный ущерб клеткам».
Например, сигаретный дым и загрязнители окружающей среды богаты реактивными электрофилами, которые могут запускать TRPA1 в клетках, выстилающих поверхность дыхательных путей, что может вызывать приступы кашля и устойчивое воспаление дыхательных путей. Рецептор может также активироваться химическими веществами в пищевых продуктах, таких как васаби, лук, горчица, имбирь и чеснок — соединения, которые, по мнению Линя Кинга, могли эволюционировать, чтобы препятствовать животным есть эти растения. WaTx, похоже, развивался по той же причине.
Хотя многие животные используют яд, чтобы парализовать или убить свою добычу, WaTx нужен скорпиону исключительно для оборонительной цели. Практически все животные, от червей до человека, имеют некоторое количество TRPA1.
«Наши результаты являются прекрасным и поразительным примером конвергентной эволюции, когда отдаленно связанные формы жизни — растения и животные — разработали защитные стратегии, которые нацелены на один и тот же рецептор млекопитающих с помощью совершенно разных стратегий», — объясняет Джон Лин Кинг.
Но то, что исследователи нашли наиболее интересным в WaTx, это его механизм действия. Хотя он запускает TRPA1, точно так же, как это делают соединения, встречающиеся в вяжущих растениях, — и даже нацеливается на тот же рецептор, способ, которым он активирует рецептор, был новым и неожиданным. Большинство соединений, от крошечных ионов до больших молекул, либо попадают в клетку через сложный процесс, известный как эндоцитоз, либо проникают через один из многих белковых каналов, которые анализируют поверхность клетки и действуют как привратники. Но WaTx содержит необычную последовательность аминокислот, которая позволяет ему проникать через клеточную мембрану и проходить внутрь клетки. Немногие белки способны на такой механизм проникновения. Самый известный пример — это ВИЧ-белок под названием Tat, но, что удивительно, WaTx не содержит последовательностей, подобных тем, которые обнаружены в Tat или любом другом белке, который может проходить через клеточную мембрану.
«Если понять, как эти пептиды проникают через мембрану, можно использовать их для переноса лекарственных веществ в клетку, которые обычно не проникают через мембраны», — утверждает Джон Лин Кинг.
Оказавшись внутри клетки, WaTx присоединяется к рецептору TRPA1, известному как «аллостерическое соединение», то же самое место, на которое нацелены ядовитые растительные соединения и раздражители окружающей среды, такие как дым. Но на этом сходство заканчивается. Растительные и внешние раздражители изменяют химический состав аллостерического соединения, что приводит к быстрому трепетанию канала TRPA1 в открытом и закрытом виде. Это позволяет положительно заряженным ионам натрия и кальция проникать в клетку, вызывая боль. Хотя оба иона способны проникать, когда TRPA1 активируется этими раздражителями, канал отдает предпочтение кальцию и пропускает гораздо больше его в клетку, что приводит к воспалению. Напротив, WaTx вклинивается в аллостерическое соединение и поддерживает открытый канал. Это отменяет его предпочтение кальцию. В результате общие уровни ионов достаточно высоки, чтобы вызвать болевую реакцию, но уровни кальция остаются слишком низкими, чтобы спровоцировать воспаление.
Чтобы продемонстрировать это, исследователи вводили либо горчичное масло, растительный раздражитель, который, как известно, активирует рецептор васаби, либо WaTx в лапы мышей. С горчичным маслом ученые наблюдали острую боль, гиперчувствительность к температуре и прикосновению — основные признаки хронической боли — и воспаление, о чем свидетельствует значительный отек. Но с помощью WaTx исследователи наблюдали острую боль и гиперчувствительность к боли, но отек отсутствовал.
«Нервные клетки при воздействии кальция могут выделять провоспалительные сигналы, которые сообщают иммунной системе, что что-то не так и что нужно это исправить», — объясняет Лин Кинг. «Это нейрогенное воспаление является одним из ключевых процессов, который становится нерегулируемым при хронической боли. Наши результаты показывают, что можно отделить защитную реакцию острой боли от воспаления, которое вызывает хроническую боль».
Выводы
Исследователи полагают, что результаты исследования помогут лучше понять острую боль, а также связь между хронической болью и воспалением, которые ранее считались экспериментально неразличимыми. Полученные результаты могут даже заложить основу для разработки новых обезболивающих препаратов.
«Открытие этого токсина предоставляет ученым новый инструмент, который можно использовать для исследования молекулярных механизмов боли, в частности, для выборочного исследования процессов, которые приводят к повышенной чувствительности к боли», — объясняет Лин Кинг. «Результаты исследования подчеркивают перспективность применения TRPA1 в качестве мишени для новых классов неопиоидных анальгетиков для лечения хронической боли».
Авторы другого исследования утверждают, что глафенин помогает кишечнику в борьбе с токсичными клетками.
