Gambaran Keseluruhan Struktur Protein D7 Dan Peranan Fisiologi dalam Nematocera Pemakanan Darah Bahagian 1
Jun 14, 2023
Ringkasan ringkas:
Vektor ialah organisma yang boleh menghantar patogen berjangkit dari satu perumah (manusia atau haiwan) kepada yang lain. Banyak vektor (termasuk nyamuk, lalat pasir dan kutu) mempunyai satu ciri yang sama: mereka adalah arthropoda yang memberi makan darah (hematophagous). Setiap kali mereka menggigit perumah vertebrata mereka, kecederaan kulit dan vaskular mencetuskan satu siri tindak balas yang boleh menyebabkan gangguan aliran darah ke bahagian mulut mereka, dan untuk menjadi tuan rumah kesedaran akibat kegatalan dan kesakitan. Walau bagaimanapun, air liur mereka mengandungi koktel molekul yang mampu mengatasi tindak balas perumah ini (hemostasis, keradangan, dan imuniti), membolehkan mereka memberi makan dengan jayanya.
Banyak kali, patogen yang dihantarnya disuntik ke dalam perumah dengan air liur. Oleh itu, memahami komposisi air liur vektor adalah penting untuk mengkaji biologi mereka, dan kapasiti vektor mereka, serta untuk mencadangkan kaedah baharu untuk mengawal penyakit yang mereka bawa (termasuk calon vaksin baharu). Antara keluarga protein air liur yang penting ialah D7, banyak dinyatakan dalam Diptera penghisap darah dan jauh berkaitan dengan Protein Pengikat Bau (OBP). Di sini, kami menyediakan semakan menyeluruh tentang struktur, fungsi dan evolusi protein D7, membincangkan bagaimana pertindihan dan pengubahsuaian gen dalam domain seperti OBP mereka membawa kepada keuntungan dan kehilangan fungsi dalam spesies Diptera hematophagous yang berbeza.
Patogen berjangkit boleh menyebabkan jangkitan, dan sistem imun bertanggungjawab untuk mempertahankan daripada patogen ini dan mencegah jangkitan daripada berlaku. Sistem imun memainkan peranan penting dalam mengenal pasti dan memusnahkan patogen. Patogen berjangkit mendorong sistem imun untuk menghasilkan antibodi dan tindak balas imun selular yang menghalang jangkitan semula.
Walau bagaimanapun, patogen tertentu boleh memintas atau melemahkan mekanisme pertahanan sistem imun, yang membawa kepada penurunan imuniti dan seterusnya meningkatkan risiko jangkitan. Sebagai contoh, HIV boleh menyerang sel CD4 ditambah T sistem imun, mengganggu fungsi sistem imun dan memudahkan jangkitan.
Juga, imuniti yang lemah boleh menyebabkan jangkitan tertentu lebih serius dan sukar untuk dirawat. Oleh itu, memahami hubungan antara patogen berjangkit dan imuniti adalah sangat penting untuk pencegahan dan rawatan penyakit berjangkit. Dari sudut pandangan ini, kita perlu meningkatkan imuniti. Cistanche boleh meningkatkan imuniti dengan ketara. Polisakarida dalam daging boleh mengawal tindak balas imun sistem imun manusia, meningkatkan keupayaan tekanan sel imun, dan meningkatkan kesan bakteria sel imun.
Abstrak:
Setiap kali serangga menggigit hos vertebrata, kecederaan kulit dan vaskular yang disebabkan oleh tindikan mencetuskan satu siri tindak balas termasuk hemostasis, keradangan dan imuniti. Di tempat, set tindak balas yang berlebihan dan saling berkaitan ini akhirnya akan menyebabkan pembekuan darah, gatal-gatal dan kesakitan yang membawa kepada kesedaran hos, mengakibatkan gangguan pemakanan dalam senario terbaik. Walau bagaimanapun, air liur arthropod hematophagous mengandungi koktel kompleks molekul yang penting untuk kejayaan penyusuan darah.
Antara keluarga protein penting yang diterangkan setakat ini dalam air liur arthropoda penghisap darah, adalah D7, banyak dinyatakan dalam Nematocera yang memberi makan darah. Protein D7 berkait jauh dengan Protein Pengikat Bau serangga (OBP), dan walaupun identiti jujukan rendah, pemerhatian persamaan struktur membawa kepada cadangan bahawa seperti OBP, mereka harus mengikat / mengasingkan sebatian hidrofobik kecil. Ahli yang tergolong dalam keluarga ini dibahagikan kepada bentuk pendek dan bentuk panjang, masing-masing mengandungi satu atau dua domain seperti OBP. Di sini, kami menyediakan kajian semula struktur dan fungsi protein D7, membincangkan bagaimana pertindihan gen dan beberapa pengubahsuaian dalam domain seperti OBP mereka semasa evolusi membawa kepada keuntungan dan kehilangan fungsi di kalangan spesies Diptera hematophagous yang berbeza.
Kata kunci:
protein D7; protein pengikat bau; biologi vektor; hematofagi; air liur vektor; hemostasis; keradangan.
1. Pengenalan
Penyakit bawaan vektor agak pelbagai dari segi simptom, ciri, agen etiologi, dan vektornya. Walaupun kepelbagaian ini, ciri umum yang dikongsi oleh kebanyakan vektor yang diketahui ialah hakikat bahawa mereka adalah arthropoda hematophagous. Keupayaan untuk memakan darah menimbulkan banyak cabaran termasuk keupayaan untuk mencari perumah, menembusi kulitnya dan mencari sumber darah, menghisap darah untuk mencernanya kemudian, dan menangani tekanan oksidatif yang dihasilkan oleh pencernaannya (disemak dalam [1–3] ).
Setiap kali serangga menggigit perumah vertebratanya, kecederaan kulit dan vaskular mencetuskan satu siri tindak balas termasuk hemostasis, keradangan, dan imuniti [1,2,4-8]. Proses biologi yang kompleks dan berlebihan ini saling berkaitan dan berkeupayaan untuk merambat disebabkan oleh penghasilan/rembesan banyak kelas mediator, termasuk eicosanoids, amina biogenik, pembekuan dan faktor pelengkap.
Di tempat, mereka akan menyebabkan gangguan aliran darah ke mulut arthropod hematophagous (akibat penyempitan vaskular, pengumpulan platelet dan pembekuan darah) dan mencetuskan kesedaran perumah (disebabkan oleh kegatalan dan kesakitan). Walau bagaimanapun, air liur arthropod yang memberi makan darah mengandungi campuran molekul yang sama kompleks dan berlebihan yang mampu mengatasi pertahanan tuan rumah yang memainkan peranan penting dalam kejayaan hematophagy (disemak dalam [1,2,4-8]). Sememangnya, seperti yang dinyatakan sebelum ini oleh Ribeiro, arthropod hematophagous adalah " picagari hidup " dan air liur mereka masih merupakan sumber molekul aktif secara farmakologi yang agak tidak dieksploitasi [4].
Kehadiran molekul antikoagulan dalam air liur arthropoda hematophagous pertama kali dilaporkan pada awal abad yang lalu [9,10], dan demonstrasi kepentingan rembesan air liur dalam pemberian darah pertama kali dicadangkan pada 800 s [11-13] . Namun, komposisi air liur dan fungsi khusus komponennya masih kurang difahami. Penggunaan penjujukan dan proteomik berskala besar sejak beberapa dekad yang lalu membolehkan pemahaman yang lebih baik tentang komposisi air liur tetapi juga mendedahkan kerumitannya dan betapa sedikit yang diketahui [2,14]. Oleh kerana hematophagy telah timbul secara bebas beberapa kali semasa evolusi arthropod, banyak cara untuk menangani cabaran yang dikenakan oleh tabiat ini muncul di kalangan pesanan serangga yang berbeza, atau bahkan dalam genus yang sama yang membawa kepada variasi yang luas dalam himpunan protein untuk mengatasi pertahanan perumah kepada gigitan [2,4,5,7,15,16].
Antara keluarga protein penting yang diterangkan setakat ini dalam air liur arthropoda penghisap darah, ialah D7, banyak diekspresikan dalam Diptera hematophagous [17-19] dan jauh berkaitan dengan Protein Pengikat Bau (OBP) / Pheromone-Binding Proteins (PBP) serangga. .
Dalam serangga, OBP biasanya berkisar antara 100 hingga 160 sisa, tetapi seperti yang diperhatikan untuk sesetengah ahli yang tergolong dalam sub-keluarga "atipikal/dua domain" atau "Plus C" yang diterangkan dalam Diptera, yang boleh mempunyai sehingga 300 asid amino [20–22]. ]. Mereka hadir dalam susunan yang pelbagai dan bilangan gen OBP beranotasi banyak berbeza antara spesies yang berbeza, serta jujukan asid amino.
Namun begitu, sistein mereka sangat terpelihara—secara klasik 6, walaupun bilangan ini boleh berbeza-beza dari 4 dalam tolak C OBP hingga 8 dalam tambah OBP hingga 9 atau 10—diposisikan dalam rantai polipeptida dengan jarak tandatangan antara beberapa daripada mereka [20,21]. ,23]. Berbeza daripada OBP vertebrata, iaitu semua-protein kepunyaan superfamili lipocalins (SCOP: 3001332), OBP serangga dikelaskan sebagai semua-protein dan tergolong dalam superfamili pengikat feromon/bauan serangga (SCOP ID: 4000957). Walaupun identiti jujukan rendah antara ahli, OBP serangga klasik mempunyai struktur tertier yang sangat berciri, dengan 6 -heliks biasanya distabilkan oleh 3 ikatan disulfida membentuk rongga pengikat (Rajah 1A), dikelilingi oleh sisa hidrofobik [20,24–26 ]. Bilangan besar dan kepelbagaian struktur utama mereka, sambil mengekalkan seni bina keseluruhan, menjadikannya sangat serba boleh dari segi ligan, tetapi semuanya mempunyai satu ciri yang sama: keupayaan/potensi mereka untuk mengikat molekul hidrofobik kecil.
Protein D7, bagaimanapun, terhad kepada Nematocera yang memberi makan darah, di mana ia banyak diekspresikan dalam kelenjar air liur mereka. Ahli keluarga ini dikelaskan dalam (1) bentuk pendek (D7S), juga dikenali sebagai berkaitan D7 (D7r), dengan berat molekul sekitar 15–17 kDa, mengandungi satu domain seperti OBP (Rajah 1B); (2) bentuk panjang (D7L), dengan berat molekul sekitar 30-38 kDa, terdiri daripada dua domain seperti OBP (Rajah 1C). Seperti yang mula-mula dicadangkan oleh Arcà dan rakan sekerja [27] dan kemudian diperhatikan oleh kristalografi pembelauan sinar-X [7,28-30], walaupun persamaan urutan rendah mereka dengan OBP, seni bina domain protein D7 sangat serupa dengan OBP, yang terdiri daripada - heliks (biasanya 7–8 -heliks walaupun bukannya 6), membentuk poket hidrofobik (Rajah 1B, C) yang sesuai untuk mengikat molekul hidrofobik, seperti yang akan dibincangkan selanjutnya di bawah.
Kebanyakan protein D7 yang dicirikan setakat ini ditemui dalam air liur Diptera yang menghisap darah, di mana ia bertindak sebagai molekul anti-hemostatik dan/atau anti-radang, memudahkan pengambilan darah. Dalam kertas kerja ini, kami menyediakan ulasan menyeluruh tentang D7 dan D7-seperti struktur, fungsi dan evolusi protein, membandingkan beberapa aspek dengan OBP arthropod dan keluarga protein lain yang berkaitan dengan fisiologi vektor.
2. D7: Daripada Penerangan Gen Pertama kepada Petunjuk Mengenai Kepelbagaian, Taburan dan Fungsinya
Gen pertama yang mengekod protein D7 telah diasingkan dan diterangkan pada tahun 1991 dalam Aedes aegypti [31], ditunjukkan dengan banyaknya dan secara eksklusif dinyatakan dalam kelenjar air liur wanita yang menghasilkan protein 37 kDa. Hibridisasi in situ menggunakan kelenjar air liur wanita yang dibedah yang disiasat dengan RNA antisense untuk kawasan pengekodan gen ini mendedahkan ekspresinya terutamanya di lobus sisi dan medial distal, kawasan yang sangat dibezakan pada wanita (hematophagous) jika dibandingkan dengan lelaki (phytophagous) , mencadangkan produknya berkemungkinan besar terlibat dalam pemberian darah. Kemudian, dalam kajian perintis yang bertujuan untuk mengenal pasti gen yang dinyatakan secara eksklusif dalam kelenjar air liur Anopheles gambiae dan produknya mengandungi peptida isyarat, enam cDNA telah diasingkan.
Tiga daripadanya, ditunjukkan dengan banyaknya diekspresikan dalam kelenjar air liur wanita, transkrip yang dikodkan serupa, walaupun lebih pendek, dengan Aedes aegypti D7 yang diterangkan sebelum ini, menunjukkan bahawa ini adalah keluarga protein baharu. Ketiga-tiganya sejajar sepenuhnya dengan domain terminal Aedes D7 C, oleh itu dinamakan protein berkaitan D7-(D7r): D7r1–D7r3 [32]. Begitu juga, mereka dinyatakan dalam lobus sisi distal wanita, walaupun hanya satu daripadanya (D7r1) dinyatakan dalam lobus medial juga [32].
Beberapa tahun kemudian, D7r keempat (D7r4) juga ditemui dalam kelenjar air liur wanita Anopheles gambiae dan ditunjukkan terletak berhampiran dengan tiga bentuk lain yang membentuk gugusan pada kromosom 3R [27]. Apabila diselaraskan, 4 transkrip ini mempunyai persamaan antara mereka antara 53 hingga 73 peratus, dan yang paling penting, mereka mempunyai tahap persamaan yang rendah dengan OBP dan Protein pengikat Pheromone (PBP), tetapi 4 sistein mereka terletak pada kedudukan terpelihara yang berkaitan dengan antena. dan OBP bukan antena. Walaupun persamaan jujukan rendah, ramalan struktur sekunder mencadangkan persamaan struktur kepada OBP, oleh itu diandaikan bahawa D7s mungkin juga mempunyai poket pengikat hidrofobik yang dikelilingi oleh -heliks dan mampu mengikat atau membawa molekul hidrofobik kecil, mungkin perantara yang terlibat dalam tindak balas perumah (seperti keradangan dan hemostasis), memandangkan fakta bahawa mereka banyak dan eksklusif untuk air liur wanita [27].
Hakikat bahawa ini An. gambiae bentuk pendek sejajar dengan terminal-C Ae. aegypti D7L, dan ujian Southern blot mendapati ahli lain dalam spesies berkait rapat menimbulkan kemungkinan bahawa ahli keluarga gen ini mungkin terdapat dalam spesies nyamuk lain dan bahawa protein dengan panjang berbeza yang dikodkan oleh gen ini boleh mempunyai fungsi yang sama, tetapi sasaran yang berbeza disebabkan kepada perbezaan dalam struktur utama mereka [27].
Sesungguhnya, Suwan dan rakan sekerja melaporkan buat kali pertama gen yang mengekod satu bentuk D7L dan 2 D7-yang berkaitan (pendek) dalam kelenjar air liur Anopheles stephensi, dan Western blot dengan antibodi poliklonal yang dihasilkan untuk mengenali protein bentuk panjang telah silang. kereaktifan juga dengan D7rs [33]. Ini adalah laporan pertama yang menunjukkan bahawa memang bentuk panjang dan pendek boleh ditemui dalam spesies yang sama. Kemudian, kajian seterusnya melaporkan kehadiran ahli keluarga ini yang lain dalam spesies nyamuk (keluarga Culicidae) yang berbeza termasuk Anopheles arabiensis, Aedes aegypti, dan Anopheles darlingi [17,18], serta dalam Diptera hematophagous lain yang tergolong dalam keluarga Psychodidae ( lalat pasir) [17].
Keseluruhan kajian ini sangat mencadangkan bahawa: (1) D7 ialah keluarga protein yang mungkin tersebar luas dalam Diptera hematophagous, secara eksklusif dinyatakan dalam kelenjar air liur wanita, oleh itu mereka mungkin mempunyai peranan penting dalam pemberian darah; (2) Protein D7 yang berbeza panjang dan urutan asid amino terdapat dalam spesies yang berbeza dan dalam spesies yang sama, mungkin hasil daripada pertindihan gen yang menjana kepelbagaian; (3) sasaran diduga mereka mestilah molekul hidrofobik kecil, seperti keradangan dan/atau pengantara hemostasis [27,33]. Namun begitu, fungsi mereka masih sukar difahami.
3. Protein D7 Saliva Adalah Molekul Anti-Radang dan Anti-Hemostatik
D7 dan protein seperti OBP lain yang terdapat dalam air liur Nematocera yang menghisap darah boleh mempunyai kebolehubahan dalam struktur utamanya, yang membawa kepada keuntungan dan kehilangan fungsi walaupun mengekalkan beberapa ciri utama dan seni bina umum, seperti yang telah diperhatikan dalam banyak OBP. Jadual 1 meringkaskan protein seperti D7 dan D7-yang diterangkan setakat ini dalam air liur spesies yang berbeza, dan ligannya serta memberikan nombor akses Protein Data Bank (PDB), jika berkenaan. Butiran dan kaitan fisiologi dibincangkan di bawah.
3.1. Perencat Laluan Hubungi
D7 pertama yang mempunyai ciri fungsinya ialah bentuk pendek (D7r), bernama Hamadarin [35], dinyatakan dalam SG Anopheles stephensi betina. D7 terdekatnya dinyatakan dalam An. gambiae ialah D7r1. Hamadarin ditunjukkan untuk mengikat Faktor XII (FXII) dan High Molecular Weigh Kininogen (HMWK) oleh itu menghalang pengaktifan laluan sentuhan dan seterusnya pengeluaran bradikinin, bertindak sebagai molekul anti-radang. Walau bagaimanapun, dalam kedua-dua kes, interaksi dengan FXII dan HMWK, yang dikaji oleh Surface Plasmon Resonance (SPR), berlaku hanya dengan kehadiran Zn2 plus dan tidak menjejaskan aktiviti amidolitik faktor diaktifkan. Sebaliknya, kesan perencatannya terhadap pengaktifan laluan sentuhan adalah disebabkan oleh gangguannya terhadap pengaktifan timbal balik FXII dan kallikrein yang sepatutnya berlaku apabila interaksi mereka dengan permukaan bercas [35]. Beberapa tahun kemudian satu lagi perencat pengaktifan laluan kenalan yang terdapat dalam air liur Anopheles stephensi (Anophensin) telah dicirikan dan ditunjukkan mempunyai sasaran yang serupa dengan Hamadarin tetapi tergolong dalam keluarga protein yang sama sekali berbeza [42].
Perlu diberi perhatian, antara protein yang paling banyak dinyatakan dalam air liur lalat pasir [43-45], ialah sekumpulan protein yang juga tergolong dalam superfamili OBP, tidak terdapat dalam nyamuk, dan berbeza daripada protein D7. Mereka mula-mula mendapat perhatian bukan sahaja untuk kelimpahan mereka tetapi kerana mereka dikenal pasti sebagai calon vaksin terhadap Leishmaniasis [46,47]. Hanya lebih sedekad kemudian dua ahli kumpulan ini dicirikan dalam air liur Phlebotomus duboscqi: PdSP15a dan PdSP15b (P. duboscqi Salivary Protein 15 a dan b, masing-masing). Kedua-duanya sangat serupa antara satu sama lain dan menghalang pengaktifan laluan sentuhan dan pengeluaran bradikinin [41] tetapi melalui mekanisme yang berbeza daripada yang diterangkan untuk Hamadarin [35]. PdSP15a dan b tidak mengikat mana-mana faktor pembekuan (zymogen atau bentuk diaktifkan), kallikrein atau prekallikrein. Tindakan mereka walaupun adalah melalui pengikatan polimer bercas negatif seperti dextran sulfate (DS), polifosfat (PP), dan heparin, menghalang interaksi mereka dengan FXII, yang diperlukan untuk pembelahan autonya yang mencetuskan pengaktifannya, dan pembiakan seterusnya pengaktifan laluan sentuhan melalui pengaktifan timbal balik FXII dan plasma prekallikrein (PK), serta pengaktifan FXI oleh thrombin dan FXIIa. Yang penting walaupun OBP dan D7 klasik mempunyai poket hidrofobik di mana ligan hidrofobik kecilnya mengikat, data struktur mencadangkan mekanisme tindakannya adalah melalui interaksi elektrostatik antara permukaan anionik dan ligan bercas negatif, dan bukannya sebarang pengikatan di dalam rongga hidrofobik [41,47] .
Lata pembekuan plasma boleh dimulakan oleh dua cabang yang berbeza: (1) laluan ekstrinsik, dimulakan apabila faktor VII (FVII) diaktifkan apabila mengikat kepada faktor tisu subendothelial (TF) terdedah selepas kecederaan vaskular. (2) Laluan sentuhan, juga dikenali sebagai laluan intrinsik, dimulakan apabila pengaktifan FXII kepada FXIIa yang dicetuskan oleh sentuhannya dengan permukaan bercas negatif. Kedua-dua laluan selepas satu siri tindak balas menumpu kepada laluan biasa melalui pengaktifan FX yang akhirnya membawa kepada pembelahan fibrinogen kepada fibrin, penting untuk pembentukan bekuan [48,49]. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, ubat-ubatan yang menyasarkan komponen laluan intrinsik (sentuhan) seperti FXII dan FXI telah dikaji secara meluas kerana ditunjukkan bahawa tikus yang kekurangan FXII dilindungi daripada pembentukan trombus sementara tidak mengalami gangguan pendarahan utama [50-52], mencadangkan laluan ini adalah penting untuk pembekuan patologi.
Selepas pengaktifan, faktor XII memotong kallikrein penjanaan prekallikrein (PK) plasma, bahawa sebagai tambahan kepada pengaktifan timbal balik dengan FXII juga memangkinkan hidrolisis bradikinin penjanaan HMWK (sistem kallikrein-kinin) [53]. Bradykinin adalah mediator pro-radang yang kuat yang meningkatkan kebolehtelapan endothelial [48,54] dan kesakitan [55]. Oleh itu, kehadiran perencat laluan sentuhan dalam air liur arthropod hematophagous akan memainkan peranan penting sebagai molekul anti-radang dengan mengurangkan pengeluaran bradikinin (seperti yang ditunjukkan untuk hamada protein seperti D7s / OBP dalam [35] dan PdSP15s [41]) , dan dengan menghalang/mencegah kebocoran plasma yang disebabkan oleh pengaktifan laluan sentuhan seperti yang dilaporkan untuk PdSP15s [41].
For more information:1950477648nn@gamil.com
