En oversikt over D7-proteinstruktur og fysiologiske roller i blodfødende Nematocera del 1
Jun 14, 2023
Enkel oppsummering:
Vektorer er organismer som kan overføre smittsomme patogener fra en vert (menneske eller dyr) til en annen. Mange vektorer (inkludert mygg, sandfluer og flått) har en felles egenskap: de er blodmatende (hematofagøse) leddyr. Hver gang de biter virveldyrverten, utløser hud- og vaskulær skade en rekke reaksjoner som kan føre til avbrudd i blodstrømmen til munndelene, og til vertsbevissthet på grunn av kløe og smerte. Ikke desto mindre inneholder spyttet deres en cocktail av molekyler som er i stand til å motvirke disse vertsresponsene (hemostase, betennelse og immunitet), slik at de kan mate seg med hell.
Mange ganger blir patogenene de overfører injisert inn i verten med spytt. Derfor er det avgjørende å forstå sammensetningen av vektorspytt for å studere deres biologi, og deres vektorielle kapasitet, samt for å foreslå nye metoder for å kontrollere sykdommene de overfører (inkludert nye vaksinekandidater). Blant viktige spyttproteinfamilier er D7, rikelig uttrykt i blodsugende Diptera og fjernt relatert til Odorant-Binding Proteins (OBP). Her gir vi en omfattende gjennomgang av D7-proteinets struktur, funksjon og evolusjon, og diskuterer hvordan genduplisering og modifikasjoner i deres OBP-lignende domener fører til gevinst og tap av funksjon i forskjellige hematofagøse Diptera-arter.
Smittsomme patogener kan forårsake infeksjoner, og immunsystemet er ansvarlig for å forsvare seg mot disse patogenene og forhindre at infeksjon oppstår. Immunsystemet spiller en nøkkelrolle i å identifisere og ødelegge patogener. Smittsomme patogener induserer immunsystemet til å produsere antistoffer og cellulære immunresponser som forhindrer reinfeksjon.
Imidlertid kan visse patogener omgå eller svekke immunsystemets forsvarsmekanismer, noe som fører til nedsatt immunitet og dermed øke risikoen for infeksjon. For eksempel kan HIV angripe immunsystemets CD4 pluss T-celler, forstyrre immunsystemets funksjon og gjøre infeksjon lettere.
Også svekket immunitet kan gjøre visse infeksjoner mer alvorlige og vanskelige å behandle. Derfor er det svært viktig å forstå forholdet mellom smittsomme patogener og immunitet for forebygging og behandling av smittsomme sykdommer. Fra dette synspunktet må vi forbedre immuniteten. Cistanche kan forbedre immuniteten betydelig. Polysakkaridene i kjøttet kan regulere immunresponsen til det menneskelige immunsystemet, forbedre stressevnen til immuncellene og forsterke den bakteriedrepende effekten til immunceller.
Abstrakt:
Hver gang et insekt biter en virveldyr vert, utløser hud- og vaskulær skade forårsaket av piercing en rekke reaksjoner, inkludert hemostase, betennelse og immunitet. På plass vil dette settet med overflødige og sammenkoblede responser til slutt forårsake blodkoagulasjon, kløe og smerte som fører til vertsbevissthet, noe som resulterer i fôringsavbrudd i beste fall. Likevel inneholder hematofag leddyrspytt en kompleks cocktail av molekyler som er avgjørende for å lykkes med blodmating.
Blant viktige proteinfamilier beskrevet så langt i spyttet til blodsugende leddyr, er D7, rikelig uttrykt i blodfødende Nematocera. D7-proteiner er fjernt beslektet med insektsluktbindende proteiner (OBP), og til tross for lav sekvensidentitet førte observasjon av strukturell likhet til forslaget om at i likhet med OBP-er, skulle de binde/sekvestre små hydrofobe forbindelser. Medlemmer som tilhører denne familien er delt inn i korte former og lange former, som inneholder henholdsvis ett eller to OBP-lignende domener. Her gir vi en gjennomgang av D7-proteinets struktur og funksjon, og diskuterer hvordan genduplikasjon og noen modifikasjoner i deres OBP-lignende domener under evolusjon fører til gevinst og tap av funksjon blant forskjellige hematofagøse Diptera-arter.
Nøkkelord:
D7 proteiner; luktbindende proteiner; vektorbiologi; hematofagi; vektor spytt; hemostase; betennelse.
1. Introduksjon
Vektorbårne sykdommer er ganske forskjellige når det gjelder symptomer, egenskaper, etiologiske midler og deres vektorer. Til tross for dette mangfoldet, er et fellestrekk som deles av de fleste kjente vektorer det faktum at de er hematofagøse leddyr. Evnen til å spise blod byr på mange utfordringer, inkludert evnen til å finne verten, stikke hull på huden og finne blodkilden, suge blodet for senere å fordøye det og håndtere oksidativt stress generert av fordøyelsen (gjennomgått i [1–3] ).
Hver gang et insekt biter verten av virveldyr, utløser hud- og vaskulær skade en rekke reaksjoner inkludert hemostase, betennelse og immunitet [1,2,4–8]. Disse komplekse og overflødige biologiske prosessene er sammenkoblet og i stand til å forplante seg på grunn av produksjon/sekresjon av mange klasser av mediatorer, inkludert eikosanoider, biogene aminer, koagulasjon og komplementfaktorer.
På plass ville de forårsake et avbrudd i blodstrømmen til munndelene til den hematofagøse leddyr (på grunn av vaskulær innsnevring, blodplateaggregering og blodkoagulasjon) og utløse vertsbevissthet (på grunn av kløe og smerte). Ikke desto mindre inneholder spyttet til blodmatende leddyr en like kompleks og overflødig blanding av molekyler som er i stand til å motvirke vertsforsvar som spiller en sentral rolle i suksessen til hematofagi (gjennomgått i [1,2,4–8]). Faktisk, som nevnt tidligere av Ribeiro, er hematofagus leddyr "levende sprøyter" og spyttet deres er fortsatt en relativt uutnyttet kilde til farmakologisk aktive molekyler [4].
Tilstedeværelsen av antikoagulerende molekyler i hematofagus leddyrs spytt ble først rapportert på begynnelsen av forrige århundre [9,10], og demonstrasjonen av betydningen av spyttsekresjon i blodmating ble først foreslått på 800-tallet [11–13] . Likevel var sammensetningen av spyttet og den spesifikke funksjonen til dets komponenter fortsatt dårlig forstått. Bruken av storskala sekvensering og proteomikk de siste tiårene tillot en bedre forståelse av spyttsammensetningen, men avslørte også dens kompleksitet og hvor lite som er kjent [2,14]. Fordi hematofagi har oppstått uavhengig flere ganger under leddyrevolusjonen, dukket det opp mange måter å håndtere utfordringene pålagt av denne vanen blant de forskjellige insektordene, eller til og med innenfor samme slekt, noe som førte til den store variasjonen i repertoaret av proteiner for å motvirke vertsforsvar til bittet [2,4,5,7,15,16].
Blant viktige proteinfamilier beskrevet så langt i spyttet til blodsugende leddyr, er D7, rikelig uttrykt i hematofagous Diptera [17–19] og fjernt beslektet med insektsluktbindende proteiner (OBP)/feromonbindende proteiner (PBP) .
Hos insekter varierer OBP-er vanligvis fra 100 til 160 rester, men som observert for noen medlemmer som tilhører "atypiske/to domener" eller "Pluss C" underfamilier beskrevet i Diptera, som kan ha opptil 300 aminosyrer [20–22 ]. De er tilstede i forskjellige rekkefølger og antallet annoterte OBP-gener varierer mye mellom forskjellige arter, så vel som aminosyresekvensen.
Ikke desto mindre er cysteinene deres svært konserverte – klassisk 6, selv om dette tallet kan variere fra 4 i minus C OBP til 8 i pluss OBP til til og med 9 eller 10 – plassert innenfor polypeptidkjeden med en signaturavstand mellom noen av disse [20,21 ,23]. Til forskjell fra virveldyr-OBPer, som er helproteiner som tilhører lipokalin-superfamilien (SCOP: 3001332), klassifiseres insekt-OBP som helproteiner og tilhører den insektferomon-/luktbindende superfamilien (SCOP ID: 4000957). Til tross for den lave sekvensidentiteten mellom medlemmene, har klassiske insekt-OBPer en veldig karakteristisk tertiær struktur, med 6 -helikser typisk stabilisert av 3 disulfidbindinger som danner et bindingshulrom (Figur 1A), omgitt av hydrofobe rester [20,24–26 ]. Det store antallet og mangfoldet av primærstrukturen deres, samtidig som den overordnede arkitekturen beholdt, gjorde dem svært allsidige når det gjelder ligander, men alle med en egenskap til felles: deres evne/potensial til å binde små hydrofobe molekyler.
D7-proteiner er likevel begrenset til blodmatende Nematocera, hvor de uttrykkes rikelig i spyttkjertlene deres. Medlemmer av denne familien er klassifisert i (1) korte former (D7S), også kjent som D7-relatert (D7r), med molekylvekt rundt 15–17 kDa, som inneholder ett OBP-lignende domene (figur 1B); (2) lange former (D7L), med molekylvekter rundt 30–38 kDa, sammensatt av to OBP-lignende domener (figur 1C). Som først foreslått av Arcà og kolleger [27] og senere observert av røntgendiffraksjonskrystallografi [7,28–30], til tross for deres lave sekvenslikheter med OBP-er, er D7-proteindomenearkitekturen veldig lik OBP-er, og består av - helikser (vanligvis 7–8 -helikser i stedet for 6), som danner en hydrofob lomme (figur 1B, C) som er egnet til å binde hydrofobe molekyler, som vil bli diskutert videre nedenfor.
De fleste av D7-proteinene som er karakterisert så langt ble funnet i spyttet til blodsugende Diptera, hvor de fungerer som anti-hemostatiske og/eller anti-inflammatoriske molekyler, og letter blodmating. I denne artikkelen gir vi en omfattende gjennomgang av D7 og D7-lignende proteinstruktur, funksjon og evolusjon, og sammenligner noen aspekter med leddyr OBPer og andre proteinfamilier som er relevante for vektorfysiologi.
2. D7s: Fra beskrivelsen av det første genet til ledetråder angående deres mangfold, distribusjon og funksjoner
Det første genet som koder for et D7-protein ble isolert og beskrevet i 1991 i Aedes aegypti [31], vist å være rikelig og utelukkende uttrykt i kvinnelige spyttkjertler som produserer et 37 kDa-protein. In situ-hybridisering ved bruk av dissekerte spyttkjertler undersøkt med antisense-RNA for den kodende regionen til dette genet avslørte at dets uttrykk hovedsakelig var i de distale laterale og mediale lober, regioner som er veldig godt differensiert hos kvinner (hematofag) sammenlignet med menn (fytofage) , noe som tyder på at produktet med stor sannsynlighet var involvert i blodmating. Senere, i en banebrytende studie med sikte på å identifisere gener som ble uttrykt utelukkende i spyttkjertelen til Anopheles gambiae og hvis produkter inneholdt signalpeptider, ble seks cDNA-er isolert.
Tre av dem, vist å være rikelig uttrykt i kvinnelige spyttkjertler, kodet transkripsjoner som ligner, om enn kortere, til den tidligere beskrevne Aedes aegypti D7, noe som antyder at dette var en ny proteinfamilie. Alle tre var fullstendig på linje med Aedes D7 C-terminale domene, og ble derfor kalt D7--relaterte proteiner (D7r): D7r1–D7r3 [32]. På samme måte ble de uttrykt i kvinnelige distale laterale lober, selv om bare én av dem (D7r1) også ble uttrykt i mediale lober [32].
Noen år senere ble en fjerde D7r (D7r4) også funnet i Anopheles gambiae kvinnelige spyttkjertler og vist å være lokalisert nær de tre andre formene som danner en klynge på kromosom 3R [27]. Når de ble justert, hadde disse 4 transkripsjonene likheter mellom seg fra 53 til 73 prosent, og veldig viktig, de hadde et lavt nivå av likhet med OBP-er og feromonbindende proteiner (PBP), men deres 4 cysteiner var lokalisert i bevarte posisjoner relatert til antennen. og ikke-antennale OBPer. Til tross for lav sekvenslikhet, antydet sekundær strukturprediksjon strukturelle likheter med OBP-er, derfor ble det postulert at D7-er også kan ha en hydrofob bindingslomme omgitt av -helikser og være i stand til å binde eller bære små hydrofobe molekyler, sannsynligvis mediatorer involvert i vertsresponser (som f.eks. betennelse og hemostase), gitt det faktum at de var rikelig og eksklusive for kvinnelig spytt [27].
Det faktum at disse An. gambiae korte former på linje med C-terminalen til Ae. aegypti D7L, og at Southern blot-analyser fant andre medlemmer i nært beslektede arter, reiste muligheten for at medlemmer av denne genfamilien kan være tilstede i andre myggarter og at proteiner med forskjellige lengder kodet av disse genene kunne ha lignende funksjoner, men forskjellige mål pga. til forskjell i deres primære struktur [27].
Faktisk rapporterte Suwan og medarbeidere for første gang gener som koder for én D7L og 2 D7--relaterte (korte) former i spyttkjertelen til Anopheles stephensi, og Western blot med polyklonalt antistoff produsert for å gjenkjenne proteinet i lang form hadde krysset reaktivitet også med D7rs [33]. Dette var den første rapporten som viste at lange og korte former faktisk kunne finnes hos samme art. Deretter rapporterte påfølgende studier tilstedeværelsen av andre medlemmer av denne familien i forskjellige myggarter (familie Culicidae) inkludert Anopheles arabiensis, Aedes aegypti og Anopheles darlingi [17,18], så vel som i andre hematofagøse diptera som tilhører familien Psychodidae ( sandfluer) [17].
Til sammen antydet disse studiene sterkt at: (1) D7 var en familie av proteiner sannsynligvis utbredt i hematofagøse diptera, utelukkende uttrykt i kvinnelige spyttkjertler, derfor kan de ha en viktig rolle i blodmating; (2) D7-proteiner med forskjellig lengde og aminosyresekvens var tilstede i forskjellige arter og innenfor samme art, sannsynligvis som et resultat av genduplisering som genererer mangfold; (3) deres antatte mål bør være små hydrofobe molekyler, slik som betennelses- og/eller hemostasemediatorer [27,33]. Likevel var funksjonen deres fortsatt unnvikende.
3. Spytt D7-proteiner er anti-inflammatoriske og anti-hemostatiske molekyler
D7 og andre OBP-lignende proteiner som er tilstede i spyttet til blodsugende Nematocera kan ha variasjon i deres primære struktur, noe som fører til gevinst og tap av funksjon til tross for å beholde noen nøkkeltrekk og generell arkitektur, som har blitt observert i mange OBPer. Tabell 1 oppsummerer D7 og D7-lignende proteiner som er beskrevet så langt i spyttet til forskjellige arter, og deres ligander, og gir deres Protein Data Bank (PDB) tilgangsnummer, der det er aktuelt. Detaljer og fysiologisk relevans er diskutert nedenfor.
3.1. Kontakt Pathway Inhibitors
Den første D7 som fikk sin funksjon karakterisert var en kort form (D7r), kalt Hamadarin [35], uttrykt i SG av Anopheles stephensi hunner. Dens nærmeste D7 er uttrykt i An. gambiae ville være D7r1. Hamadarin ble vist å binde faktor XII (FXII) og High Molecular Weigh Kininogen (HMWK), og derfor hemme kontaktveiaktivering og følgelig bradykininproduksjon, og fungere som et antiinflammatorisk molekyl. Likevel, i begge tilfeller, skjedde interaksjonen med FXII og HMWK, studert av Surface Plasmon Resonance (SPR), bare i nærvær av Zn2 pluss og påvirket ikke aktiverte faktorers amidolytiske aktivitet. Snarere skyldtes dens hemmende effekt på aktivering av kontaktveier dens interferens med den gjensidige aktiveringen av FXII og kallikrein som skulle oppstå ved deres interaksjon med ladede overflater [35]. Noen år senere ble en annen kontaktveiaktiveringshemmer som var tilstede i spyttet til Anopheles stephensi (Anophensin) karakterisert og vist å ha lignende mål som Hamadarin, men tilhørte en helt annen proteinfamilie [42].
Bemerkelsesverdig, blant de mest uttrykte proteinene i sandfluespytt [43–45], er en gruppe proteiner som også tilhører OBP-superfamilien, som ikke finnes i mygg og er forskjellige fra D7-proteiner. De fikk først oppmerksomhet ikke bare for sin overflod, men fordi de ble identifisert som vaksinekandidater mot Leishmaniasis [46,47]. Bare mer enn et tiår senere ble to medlemmer av denne gruppen karakterisert i spyttet til Phlebotomus duboscqi: PdSP15a og PdSP15b (henholdsvis P. duboscqi spyttprotein 15 a og b). Begge er veldig like hverandre og hemmer kontaktveiaktivering og bradykininproduksjon [41], men gjennom en mekanisme som er forskjellig fra den beskrevet for Hamadarin [35]. PdSP15a og b binder seg ikke til noen koagulasjonsfaktor (zymogener eller aktiverte former), kallikrein eller prekallikrein. Virkningen deres er imidlertid gjennom å binde negativt ladede polymerer som dekstransulfat (DS), polyfosfat (PP) og heparin, og forhindrer deres interaksjon med FXII, nødvendig for dens auto-spaltning som utløser aktiveringen, og påfølgende forplantning av kontaktveiaktivering gjennom gjensidig aktivering av FXII og plasma prekallikrein (PK), samt aktivering av FXI av trombin og FXIIa. Viktig mens klassiske OBP-er og D7-er har en hydrofob lomme der deres lille hydrofobe ligand binder seg, tyder strukturelle data på at virkningsmekanismen er gjennom elektrostatisk interaksjon mellom dens anioniske overflate og negativt ladede ligander, snarere enn noen binding inne i et hydrofobt hulrom [41,47] .
Plasmakoagulasjonskaskaden kan initieres av to distinkte grener: (1) den ekstrinsiske banen, initiert når faktor VII (FVII) aktiveres ved binding til subendotelial vevsfaktor (TF) eksponert etter vaskulær skade. (2) Kontaktbanen, også kjent som den indre banen, initieres ved aktivering av FXII til FXIIa utløst av kontakten med negativt ladede overflater. Begge veier etter en rekke reaksjoner konvergerer til den vanlige veien gjennom FX-aktivering som til slutt fører til fibrinogenspaltning til fibrin, avgjørende for koageldannelse [48,49]. I de senere årene har legemidler rettet mot indre (kontakt) veikomponenter som FXII og FXI blitt grundig studert siden det ble vist at mus som manglet FXII ble beskyttet mot trombedannelse mens de ikke hadde noen alvorlige blødningsforstyrrelser [50–52], noe som tyder på at denne veien er viktig for patologisk koagulasjon.
Ved aktivering spalter faktor XII plasma prekallikrein (PK) som genererer kallikrein, som i tillegg til resiprok aktivering med FXII også katalyserer hydrolysen av HMWK som genererer bradykinin (kallikrein-kinin-system) [53]. Bradykinin er en potent pro-inflammatorisk mediator som øker endotelpermeabilitet [48,54] og smerte [55]. Derfor vil tilstedeværelsen av kontaktveihemmere i spyttet til hematofagøse leddyr spille en viktig rolle som antiinflammatoriske molekyler ved å redusere bradykininproduksjonen (som vist for de D7s/OBP-lignende proteinene hamada i [35] og PdSP15s [41]) , og ved å hemme/hindre plasmalekkasje indusert av kontaktveiaktivering som rapportert for PdSP15s [41].
For more information:1950477648nn@gamil.com
