Устойчивость ужасных листолазов к собственному яду обеспечила единичная мутация.
Биологи из Государственного университета Нью-Йорка в Онеонте выяснили, как одно из самых ядовитых животных на Земле, лягушка ужасный листолаз (Phyllobates terribilis) не умирает от собственного яда. Оказалось, все дело в единственной аминокислотной замене в белке, который необратимо связывается с ядом. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ужасный листолаз (Phyllobates terribilis)обитает в тропических лесах на тихоокеанском побережье Колумбии. На коже этой маленькой лягушки есть железы, выделяющие сильный яд — батрахотоксин — обладающий кардио- и нейротоксичным действием. Полулетальная доза яда для мышей равна двум микрограммам на килограмм. Одна лягушка, в среднем, несет на себе около одного миллиграмма яда — этого достаточно, чтобы отравить 10000 мышей. Батрахотоксин необратимо связывается с натриевыми каналами в клеточных мембранах, которые открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала. Яд заставляет натриевые каналы быть открытыми постоянно, повышая проницаемость клеточной мембраны и вызывая падение электрического потенциала клетки. В результате клетка не может передавать нервные импульсы, что приводит к параличу, в том числе дыхательной мускулатуры и сердечной мышцы. Отравившиеся люди или животные погибают от остановки сердца. Противоядия от батрахотоксина не существует.
Батрахотоксин содержится в кожных железах не только ужасного листолаза, но и некоторых других лягушек-древолазов. Однако количество яда у разных видов сильно меняется, и у P. terribilis оно самое высокое. Исследователей давно интересовало, почему ужасные листолазы не погибают от своего собственного яда. Ранее ученые выяснили, что натриевые каналы P. terribilis нечувствительны к батрахотоксину и эта особенность наследуется.
Белки, образующие натриевые (и другие ионные) каналы состоят из нескольких субъединиц. Батрахотоксин связывается с одной из них, α-субъединицей. Ранее американские биологи определили последовательности гена альфа-субъединицы у 30 видов лягушек, в том числе у ужасного листолаза, и сравнили их с ДНК крыс (Rattus norvegicus), у которых нет иммунитета к батрахотоксину. Оказалось, что в гене у ужасных листолазов по сравнению с геном крыс произошло пять мутаций, которые привели к замене пяти аминокислот. При этом три аминокислотные замены появлялись независимо у разных видов ядовитых лягушек, а две — только единожды, у ужасного листолаза.
Авторы нового исследования использовали в качестве модельной системы натриевые каналы крыс. Они заменили нуклеотиды в гене альфа-субъединицы белка натриевого канала крыс на мутантные, которые есть у ужасного листолаза. Исследователи создавали белки, с заменами и одной аминокислоты, и всех пяти. Затем они тестировали устойчивость мышечной ткани крыс, содержащей мутантные белки, к батрахотоксину.
Оказалось, что натриевые каналы, мутантные по всем пяти аминокислотам, были устойчивы к батрахотоксину. Но когда исследователи тестировали единичные мутации, выяснилось, что устойчивость к яду белку дает только одна из них. Это была замена аспарагина на треонин в 1584 положении белковой цепи, N1584T. Тогда авторы работы создали белки с тремя и четырьмя мутациями; в некоторых из них была замена N1584T, в некоторых — нет. Оказалось, что белки, в которых не было мутации N1584T, но были внесены три и четыре других замены, все равно оставались чувствительны к яду. Следовательно, замена N1584T была ключевой и именно она придавала белку устойчивость к батрахотоксину.
Интересно, что в процессе эволюции мутация N1584T возникла только однажды, у P. terribilis. У других видов ядовитых лягушек-древолазов такой мутации нет, в том числе, у золотистополосого древолаза, Phyllobates aurotaenia, на коже которого содержится около 50 микрограммов яда. Но при этом у обоих видов есть другая мутация, замена соседней аминокислоты, V1583I, и возникла она примерно в одно и то же время. Так как белок с этой заменой чувствителен к батрахотоксину, авторы работы предполагают, что она может работать в совокупности с заменами других аминокислот, которые еще не выявлены.
В настоящее время батрахотоксин применяется для исследования динамики натриевых каналов. Но природные источники этого вещества ограничены, а способа его получения химическим путем до недавнего времени не было. Но в прошлом году химикам удалось синтезировать батрахотоксин. Синтез состоял из 24 препаративных стадий, выход составил около двух миллиграммов, около 0,25 процента от теоретического максимума.