En oversigt over D7-proteinstruktur og fysiologiske roller i blodfødende Nematocera del 1
Jun 14, 2023
Enkel oversigt:
Vektorer er organismer, der kan overføre infektiøse patogener fra en vært (menneske eller dyr) til en anden. Mange vektorer (inklusive myg, sandfluer og flåter) har én fælles egenskab: de er blodfødende (hæmatofage) leddyr. Hver gang de bider deres hvirveldyrsvært, udløser hud- og vaskulær skade en række reaktioner, der på plads kan føre til afbrydelse af blodgennemstrømningen til deres munddele og til værtsbevidsthed på grund af kløe og smerte. Ikke desto mindre indeholder deres spyt en cocktail af molekyler, der er i stand til at modvirke disse værtsreaktioner (hæmostase, inflammation og immunitet), hvilket giver dem mulighed for at spise med succes.
Mange gange bliver de patogener, de overfører, sprøjtet ind i værten med spyt. Derfor er forståelsen af vektorspytets sammensætning afgørende for at studere deres biologi og deres vektorielle kapacitet, samt for at foreslå nye metoder til at kontrollere de sygdomme, de overfører (herunder nye vaccinekandidater). Blandt vigtige spytproteinfamilier er D7, der er rigeligt udtrykt i blodsugende Diptera og fjernt beslægtet med Odorant-Binding Proteins (OBP). Her giver vi en omfattende gennemgang af D7-proteinets struktur, funktion og udvikling, og diskuterer, hvordan genduplikation og modifikationer i deres OBP-lignende domæner fører til gevinst og tab af funktion i forskellige hæmatophagøse Diptera-arter.
Infektiøse patogener kan forårsage infektioner, og immunsystemet er ansvarligt for at forsvare sig mod disse patogener og forhindre infektion i at opstå. Immunsystemet spiller en nøglerolle i at identificere og ødelægge patogener. Infektiøse patogener inducerer immunsystemet til at producere antistoffer og cellulære immunresponser, der forhindrer geninfektion.
Visse patogener kan dog omgå eller svække immunsystemets forsvarsmekanismer, hvilket fører til nedsat immunitet og dermed øger risikoen for infektion. For eksempel kan HIV angribe immunsystemets CD4 plus T-celler, forstyrre immunsystemets funktion og gøre infektion lettere.
Også svækket immunitet kan gøre visse infektioner mere alvorlige og vanskelige at behandle. Derfor er det meget vigtigt at forstå forholdet mellem smitsomme patogener og immunitet for forebyggelse og behandling af smitsomme sygdomme. Fra dette synspunkt er vi nødt til at forbedre immuniteten. Cistanche kan forbedre immuniteten betydeligt. Polysacchariderne i kødet kan regulere det menneskelige immunsystems immunrespons, forbedre immuncellernes stressevne og forstærke immuncellernes bakteriedræbende effekt.
Abstrakt:
Hver gang et insekt bider en hvirveldyrsvært, udløser hud- og vaskulær skade forårsaget af piercing en række reaktioner, herunder hæmostase, inflammation og immunitet. På sin plads ville dette sæt af overflødige og indbyrdes forbundne reaktioner i sidste ende forårsage blodkoagulering, kløe og smerte, hvilket fører til værtsbevidsthed, hvilket resulterer i fodringsafbrydelse i det bedste tilfælde. Ikke desto mindre indeholder hæmatophagus leddyrspyt en kompleks cocktail af molekyler, der er afgørende for succes med blodfodring.
Blandt vigtige proteinfamilier, der hidtil er beskrevet i spyt fra blodsugende leddyr, er D7, der er rigeligt udtrykt i blodfødende Nematocera. D7-proteiner er fjernt beslægtet med insektlugtbindende proteiner (OBP), og på trods af lav sekvensidentitet førte observation af strukturel lighed til det forslag, at ligesom OBP'er skulle de binde/sekvestrere små hydrofobe forbindelser. Medlemmer, der tilhører denne familie, er opdelt i korte former og lange former, der indeholder henholdsvis et eller to OBP-lignende domæner. Her giver vi en gennemgang af D7-proteinets struktur og funktion, og diskuterer, hvordan genduplikation og nogle modifikationer i deres OBP-lignende domæner under evolution fører til gevinst og tab af funktion blandt forskellige hæmatophagøse Diptera-arter.
Nøgleord:
D7-proteiner; lugtstofbindende proteiner; vektorbiologi; hæmatophagi; vektorspyt; hæmostase; betændelse.
1. Introduktion
Vektorbårne sygdomme er ret forskellige med hensyn til symptomer, karakteristika, ætiologiske agenser og deres vektorer. På trods af denne mangfoldighed er et fællestræk, der deles af de fleste kendte vektorer, det faktum, at de er hæmatophagøse leddyr. Evnen til at fodre med blod udgør mange udfordringer, herunder evnen til at finde værten, gennembore dens hud og finde blodkilden, suge blodet for senere at fordøje det og håndtere oxidativt stress genereret af dens fordøjelse (gennemgået i [1-3] ).
Hver gang et insekt bider sin hvirveldyrsvært, udløser hud- og vaskulær skade en række reaktioner, herunder hæmostase, inflammation og immunitet [1,2,4-8]. Disse komplekse og overflødige biologiske processer er indbyrdes forbundne og i stand til at forplante sig på grund af produktionen/sekretionen af mange klasser af mediatorer, herunder eicosanoider, biogene aminer, koagulation og komplementfaktorer.
På stedet ville de forårsage en afbrydelse af blodgennemstrømningen til munddelene på den hæmatophagøse leddyr (på grund af vaskulær forsnævring, blodpladeaggregation og blodkoagulation) og udløse værtsbevidsthed (på grund af kløe og smerte). Ikke desto mindre indeholder spyt fra blodfødende leddyr en lige så kompleks og overflødig blanding af molekyler, der er i stand til at modvirke værtsforsvar, der spiller en central rolle i succesen med hæmatophagi (gennemgået i [1,2,4-8]). Faktisk, som nævnt før af Ribeiro, er hæmatofage leddyr "levende sprøjter", og deres spyt er stadig en relativt uudnyttet kilde til farmakologisk aktive molekyler [4].
Tilstedeværelsen af antikoagulerende molekyler i hæmatofage leddyrs spyt blev første gang rapporteret i begyndelsen af forrige århundrede [9,10], og demonstrationen af betydningen af spytsekretion i blodtilførsel blev først foreslået i 800-tallet [11-13] . Alligevel var sammensætningen af spyttet og den specifikke funktion af dets komponenter stadig dårligt forstået. Brugen af storskala sekventering og proteomik i de sidste årtier tillod en bedre forståelse af spytsammensætning, men afslørede også dens kompleksitet og hvor lidt der er kendt [2,14]. Fordi hæmatophagi er opstået uafhængigt adskillige gange under leddyrudviklingen, dukkede mange måder at håndtere udfordringerne pålagt af denne vane op blandt de forskellige insektordener, eller endda inden for samme slægt, hvilket førte til den store variation i repertoiret af proteiner for at modvirke værtsforsvar til biddet [2,4,5,7,15,16].
Blandt vigtige proteinfamilier, der hidtil er beskrevet i spyttet fra blodsugende leddyr, er D7, der er rigeligt udtrykt i hæmatophagous Diptera [17-19] og fjernt beslægtet med insektlugtbindende proteiner (OBP)/feromonbindende proteiner (PBP) .
Hos insekter varierer OBP'er typisk fra 100 til 160 rester, men som observeret for nogle medlemmer, der tilhører "atypiske/to domæner" eller "Plus C" underfamilier beskrevet i Diptera, kan de have op til 300 aminosyrer [20-22 ]. De er til stede i forskellige rækkefølger, og antallet af annoterede OBP-gener varierer meget blandt forskellige arter, såvel som aminosyresekvensen.
Ikke desto mindre er deres cysteiner meget konserverede - klassisk 6, selvom dette tal kan variere fra 4 i minus C OBP'er til 8 i plus OBP'er til endda 9 eller 10 - placeret i polypeptidkæden med en signaturafstand mellem nogle af disse [20,21 ,23]. Til forskel fra hvirveldyr OBP'er, som er alle-proteiner, der tilhører lipocalins superfamilien (SCOP: 3001332), er insekt OBP'er klassificeret som alle-proteiner og tilhører den insekt pheromon/odorant-bindende superfamilie (SCOP ID: 4000957). På trods af den lave sekvensidentitet mellem medlemmer har klassiske insekt-OBP'er en meget karakteristisk tertiær struktur med 6 -spiraler, der typisk er stabiliseret af 3 disulfidbindinger, der danner et bindingshulrum (Figur 1A), omgivet af hydrofobe rester [20,24-26 ]. Det store antal og mangfoldigheden af deres primære struktur, mens de bibeholdt den overordnede arkitektur, gjorde dem meget alsidige med hensyn til ligander, men alle med én egenskab til fælles: deres evne/potentiale til at binde små hydrofobe molekyler.
D7-proteiner er ikke desto mindre begrænset til blodfødende Nematocera, hvor de er rigeligt udtrykt i deres spytkirtler. Medlemmer af denne familie er klassificeret i (1) korte former (D7S), også kendt som D7-relaterede (D7r), med molekylvægt omkring 15-17 kDa, indeholdende et OBP-lignende domæne (figur 1B); (2) lange former (D7L), med molekylvægte omkring 30-38 kDa, sammensat af to OBP-lignende domæner (figur 1C). Som først foreslået af Arcà og kolleger [27] og senere observeret ved røntgendiffraktionskrystallografi [7,28-30], på trods af deres lave sekvensligheder med OBP'er, er D7-proteindomænernes arkitektur meget lig OBP'er, der er sammensat af - helixer (generelt 7–8 -helixer dog i stedet for 6), der danner en hydrofob lomme (figur 1B, C), der er egnet til at binde hydrofobe molekyler, som det vil blive diskuteret yderligere nedenfor.
De fleste af de hidtil karakteriserede D7-proteiner blev fundet i spyttet fra blodsugende Diptera, hvor de virker som antihæmostatiske og/eller antiinflammatoriske molekyler, hvilket letter blodtilførsel. I denne artikel giver vi en omfattende gennemgang af D7 og D7-lignende proteinstruktur, funktion og evolution, hvor vi sammenligner nogle aspekter med leddyr OBP'er og andre proteinfamilier, der er relevante for vektorfysiologi.
2. D7s: Fra beskrivelsen af det første gen til ledetråde vedrørende deres mangfoldighed, distribution og funktioner
Det første gen, der koder for et D7-protein, blev isoleret og beskrevet i 1991 i Aedes aegypti [31], vist at være rigeligt og udelukkende udtrykt i kvindelige spytkirtler, der producerer et 37 kDa-protein. In situ-hybridisering ved hjælp af dissekeret spytkirtler, der er sonderet med antisense RNA for den kodende region af dette gen, afslørede, at dets ekspression hovedsageligt var i de distale laterale og mediale lober, regioner, der er meget godt differentierede hos kvinder (hæmatofage) sammenlignet med mænd (fytofage) , hvilket tyder på, at dets produkt med stor sandsynlighed var involveret i blodfodring. Senere, i et banebrydende studie med det formål at identificere gener, der udelukkende blev udtrykt i spytkirtlen hos Anopheles gambiae, og hvis produkter indeholdt signalpeptider, blev seks cDNA'er isoleret.
Tre af dem, vist at være rigeligt udtrykt i kvindelige spytkirtler, kodede transkripter, der ligner, omend kortere, den tidligere beskrevne Aedes aegypti D7, hvilket tyder på, at dette var en ny proteinfamilie. Alle tre var fuldstændig på linje med Aedes D7 C-terminale domæne, og blev derfor navngivet D7--relaterede proteiner (D7r): D7r1-D7r3 [32]. Ligeledes blev de udtrykt i kvindelige distale laterale lapper, selvom kun én af dem (D7r1) også blev udtrykt i mediale lober [32].
Et par år senere blev en fjerde D7r (D7r4) også fundet i Anopheles gambiae kvindelige spytkirtler og vist at være placeret tæt på de tre andre former, der danner en klynge på kromosom 3R [27]. Når de blev justeret, havde disse 4 transkripter ligheder mellem dem i området fra 53 til 73 procent, og meget vigtigt, de havde et lavt niveau af lighed med OBP'er og feromonbindende proteiner (PBP), men deres 4 cysteiner var placeret i bevarede positioner relateret til antennen. og ikke-antennale OBP'er. På trods af lav sekvenslighed antydede forudsigelse af sekundær struktur strukturelle ligheder med OBP'er, derfor blev det postuleret, at D7'er også kunne have en hydrofob bindingslomme omgivet af -helixer og være i stand til at binde eller bære små hydrofobe molekyler, sandsynligvis mediatorer involveret i værtsresponser (som f.eks. betændelse og hæmostase), givet det faktum, at de var rigelige og eksklusive for kvindens spyt [27].
Det faktum, at disse An. gambiae korte former på linje med C-terminalen af Ae. aegypti D7L, og at Southern blot-assays fandt andre medlemmer i nært beslægtede arter, rejste muligheden for, at medlemmer af denne genfamilie kunne være til stede i andre myggearter, og at proteiner med forskellige længder kodet af disse gener kunne have lignende funktioner, men forskellige mål pga. til forskel i deres primære struktur [27].
Faktisk rapporterede Suwan og kolleger for første gang gener, der koder for én D7L- og 2 D7--relaterede (korte) former i spytkirtlen hos Anopheles stephensi, og Western blot med polyklonalt antistof produceret for at genkende det langformede protein, der havde krydset reaktivitet også med D7rs [33]. Dette var den første rapport, der viste, at der faktisk kunne findes lange og korte former hos den samme art. Derefter rapporterede efterfølgende undersøgelser tilstedeværelsen af andre medlemmer af denne familie i forskellige myggearter (familien Culicidae) inklusive Anopheles arabiensis, Aedes aegypti og Anopheles darlingi [17,18], såvel som i andre hæmatophagøse diptera, der tilhører familien Psychodidae ( sandfluer) [17].
Alt i alt tydede disse undersøgelser stærkt på, at: (1) D7 var en familie af proteiner, der sandsynligvis var udbredt i hæmatophagøse diptera, udelukkende udtrykt i spytkirtler hos kvinder, derfor kunne de spille en vigtig rolle i blodtilførsel; (2) D7-proteiner med forskellig længde og aminosyresekvens var til stede i forskellige arter og inden for den samme art, sandsynligvis som et resultat af genduplikation, der genererede diversitet; (3) deres formodede mål bør være små hydrofobe molekyler, såsom inflammation og/eller hæmostase mediatorer [27,33]. Ikke desto mindre var deres funktion stadig uhåndgribelig.
3. Spyt D7-proteiner er antiinflammatoriske og antihæmostatiske molekyler
D7 og andre OBP-lignende proteiner, der er til stede i spyttet fra blodsugende Nematocera, kan have variabilitet i deres primære struktur, hvilket fører til gevinst og tab af funktion på trods af, at nogle nøgletræk og generel arkitektur bevares, som det er blevet observeret i mange OBP'er. Tabel 1 opsummerer D7- og D7-lignende proteiner, der hidtil er beskrevet i spyt fra forskellige arter, og deres ligander og angiver deres proteindatabank-adgangsnummer (PDB), hvor det er relevant. Detaljer og fysiologisk relevans diskuteres nedenfor.
3.1. Kontakt Pathway Inhibitors
Den første D7, der fik sin funktion karakteriseret, var en kort form (D7r), ved navn Hamadarin [35], udtrykt i SG af Anopheles stephensi hunner. Dens nærmeste D7 er udtrykt i An. gambiae ville være D7r1. Hamadarin blev vist at binde Faktor XII (FXII) og High Molecular Weigh Kininogen (HMWK), hvilket hæmmer kontaktvejaktivering og dermed bradykininproduktion, der fungerer som et antiinflammatorisk molekyle. Ikke desto mindre forekom interaktionen med FXII og HMWK, undersøgt af Surface Plasmon Resonance (SPR), i begge tilfælde kun i nærvær af Zn2 plus og påvirkede ikke aktiverede faktorers amidolytiske aktivitet. Snarere skyldtes dets hæmmende effekt på aktivering af kontaktveje dens interferens med den gensidige aktivering af FXII og kallikrein, der skulle forekomme ved deres interaktion med ladede overflader [35]. Et par år senere blev en anden kontakt pathway aktiveringshæmmer til stede i spyttet fra Anopheles stephensi (Anophensin) karakteriseret og vist at have lignende mål som Hamadarin, men tilhørte en helt anden proteinfamilie [42].
Bemærkelsesværdigt er, at blandt de mest udtrykte proteiner i sandfluespyt [43-45] er en gruppe proteiner, der også tilhører OBP-superfamilien, som ikke findes i myg og adskiller sig fra D7-proteiner. De fik først opmærksomhed ikke kun for deres overflod, men fordi de blev identificeret som vaccinekandidater mod Leishmaniasis [46,47]. Kun mere end et årti senere blev to medlemmer af denne gruppe karakteriseret i spyt fra Phlebotomus duboscqi: PdSP15a og PdSP15b (henholdsvis P. duboscqi spytprotein 15 a og b). Begge ligner hinanden meget og hæmmer kontaktvejsaktivering og bradykininproduktion [41], men gennem en mekanisme, der er forskellig fra den, der er beskrevet for Hamadarin [35]. PdSP15a og b binder ikke til nogen koagulationsfaktor (zymogener eller aktiverede former), kallikrein eller prekallikrein. Deres virkning er dog gennem binding af negativt ladede polymerer såsom dextransulfat (DS), polyphosphat (PP) og heparin, hvilket forhindrer deres interaktion med FXII, der er nødvendig for dets auto-spaltning, der udløser dets aktivering, og efterfølgende udbredelse af kontaktvejaktivering gennem gensidig aktivering af FXII og plasma-prekallikrein (PK), samt aktivering af FXI med thrombin og FXIIa. Vigtigt, mens klassiske OBP'er og D7'er har en hydrofob lomme, hvor deres lille hydrofobe ligand binder, tyder strukturelle data på, at dens virkningsmekanisme er gennem elektrostatisk interaktion mellem dens anioniske overflade og negativt ladede ligander, snarere end nogen binding inde i et hydrofobt hulrum [41,47] .
Plasmakoagulationskaskaden kan initieres af to adskilte forgreninger: (1) den ydre vej, initieret når faktor VII (FVII) aktiveres ved binding til subendotelial vævsfaktor (TF) eksponeret efter vaskulær skade. (2) Kontaktvejen, også kendt som den indre vej, initieres ved aktivering af FXII til FXIIa udløst af dens kontakt med negativt ladede overflader. Begge veje efter en række reaktioner konvergerer til den fælles vej gennem FX-aktivering, der i sidste ende fører til fibrinogenspaltning til fibrin, der er afgørende for koageldannelse [48,49]. I de senere år er lægemidler rettet mod iboende (kontakt) pathway-komponenter såsom FXII og FXI blevet grundigt undersøgt, da det blev vist, at mus, der manglede FXII, var beskyttet mod trombedannelse, mens de ikke havde nogen større blødningsforstyrrelser [50-52], hvilket tyder på, at denne vej er vigtig for patologisk koagulation.
Ved aktivering spalter faktor XII plasma-prekallikrein (PK), der genererer kallikrein, som ud over gensidig aktivering med FXII også katalyserer hydrolysen af HMWK, der genererer bradykinin (kallikrein-kinin-system) [53]. Bradykinin er en potent pro-inflammatorisk mediator, der øger endotelpermeabilitet [48,54] og smerte [55]. Derfor ville tilstedeværelsen af kontaktvejsinhibitorer i spyttet fra hæmatophagøse leddyr spille en vigtig rolle som antiinflammatoriske molekyler ved at reducere bradykininproduktionen (som vist for de D7s/OBP-lignende proteiner hamada i [35] og PdSP15s [41]) , og ved at hæmme/forebygge plasmalækage induceret af kontaktvejaktivering som rapporteret for PdSP15s [41].
For more information:1950477648nn@gamil.com
