Яд паука спасет от паралича

Российские ученые совместно с зарубежными коллегами обнаружили, что яд паука Heriaeus melloteei может стать основой для создания лекарств от гипокалиемического периодического паралича. Это заболевание вызвано мутацией генов, приводящих к возникновению так называемых токов «утечки» через потенциал-зависимые ионные каналы Na_V1.4 в скелетных мышцах. В результате такого дефекта «подтекающего» канала мышцы оказываются неспособны отвечать на сигналы нервной системы, и развивается слабость вплоть до паралича. До сих пор надежного лекарства от всех случаев этой болезни не существует. Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

В состав любой клеточной мембраны входят ионные каналы — белковые поры, избирательно пропускающие ионы внутрь клетки и наружу. За счет их работы мембрана оказывается неодинаково заряжена с двух сторон, то есть обладает разностью потенциалов. В отсутствие раздражающих стимулов она поддерживается на постоянном уровне. Под действием разнообразных сигналов определенные ионные каналы открываются или закрываются, изменяя, таким образом, ток ионов внутрь и наружу клетки, а также заряд мембраны. В результате некоторые клетки (нервные, мышечные и железистые) возбуждаются — получают возможность отвечать на сигнал.

Однако порой гены, кодирующие каналы, оказываются повреждены, и ответ клеток может стать неадекватным. Например, дефекты потенциал-чувствительных участков потенциал-зависимых натриевых каналов Na_V1.4 в мышцах приводят к тому, что даже в закрытом состоянии они «протекают». В клетку просачиваются ионы натрия, из-за чего разность потенциалов мембраны изменяется. Сигналы от нервной системы более не способны возбудить мышцу — развивается паралич. У больных гипокалиемическим периодическим параличом второго типа развивается слабость вплоть до полного обездвиживания. К сожалению, существующие лекарства для облегчения их состояния зачастую неэффективны.

«Наша работа посвящена изучению потенциал-зависимых ионных каналов человека, в частности, рассмотрению мутаций Na_V1.4 канала из скелетных мышц, отвечающих за развитие тяжелого заболевания — гипокалиемического периодического паралича второго типа. В работе впервые показано, что существуют природные соединения, способные заблокировать токи «утечки» через мутантные каналы», — рассказывает Михаил Петрович Кирпичников, доктор биологических наук, академик РАН, декан биологического факультета МГУ.

Применяя целый арсенал методов генной и белковой инженерии, электрофизиологии, ЯМР-спектроскопии и компьютерного моделирования, исследователи изучили причины «неправильной» работы поврежденного мутацией канала. В качестве блокатора был впервые предложен токсин из яда паука Heriaeus melloteei, и, согласно результатам, полученным с помощью сайт-направленного мутагенеза, электрофизиологии, ЯМР-спектроскопии и компьютерного моделирования, он фиксирует потенциал-чувствительный участок канала в положении, устраняющем ток «утечки». 

«Открытие подобного действия токсина позволяет надеяться, что можно создать эффективные препараты для лечения больных гипокалиемическим параличом и другими сходными недугами. Полученная нами модель взаимодействия канала и токсина из яда паука открывает перспективы для разработки новых лекарств», — заключает Александр Василевский, кандидат химических наук, преподаватель МГУ и заведующий лабораторией в ИБХ РАН.

Структурную часть работы комментирует Захар Шенкарев, доктор физико-математических наук, профессор РАН, преподаватель МФТИ и руководитель группы в ИБХ РАН: «Исследования структур комплексов ионных каналов с токсинами в мембране представляет непростую задачу. Основная проблема в нашей работе была связана с низкой стабильностью образцов в условиях ЯМР-эксперимента. Для её решения нам пришлось разработать целый ряд новых экспериментальных методик, что позволило ускорить процесс сборки структурных данных с нескольких дней до нескольких часов».

Работа выполнена сотрудниками ИБХ им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН совместно с коллегами с биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова и МФТИ, а также зарубежными коллегами из Института неврологии Университетского колледжа Лондона и Школы медицины Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе при поддержке Российской академии наук (программа «Молекулярная и клеточная биология») и Российского научного фонда (РНФ).

Фото: Структура комплекса канала Nav1.4 из мышц человека с токсином Hm-3 из яда паука Heriaeus melloteei по данным ЯМР. (A) Комплекс Hm-3 (голубой/фиолетовый) с первым потенциал-чувствительным доменом (DI) канала (песчаный/красный). Вид сбоку, со стороны липидн