Een overzicht van de D7-eiwitstructuur en fysiologische rollen bij bloedvoedende Nematocera Deel 1

Eenvoudige samenvatting:

Vectoren zijn organismen die besmettelijke ziekteverwekkers van de ene gastheer (mens of dier) naar de andere kunnen overbrengen. Veel vectoren (waaronder muggen, zandvliegen en teken) hebben één gemeenschappelijk kenmerk: het zijn bloedvoedende (hematofage) geleedpotigen. Elke keer dat ze hun gewervelde gastheer bijten, veroorzaakt huid- en vaatletsel een reeks reacties die op hun plaats kunnen leiden tot een onderbreking van de bloedtoevoer naar hun monddelen en tot bewustzijn van de gastheer vanwege jeuk en pijn. Niettemin bevat hun speeksel een cocktail van moleculen die in staat zijn om deze gastheerreacties (hemostase, ontsteking en immuniteit) tegen te gaan, waardoor ze zich met succes kunnen voeden.

Vaak worden de ziekteverwekkers die ze overbrengen met speeksel in de gastheer geïnjecteerd. Daarom is het van cruciaal belang om de samenstelling van vectorspeeksel te begrijpen om hun biologie en hun vectoriële capaciteit te bestuderen, en om nieuwe methoden voor te stellen om de ziekten die ze overdragen te beheersen (inclusief nieuwe kandidaat-vaccins). Een van de belangrijke families van speekseleiwitten is de D7, overvloedig uitgedrukt in bloedzuigende Diptera en in de verte verwant aan Odorant-Binding Proteins (OBP). Hier geven we een uitgebreid overzicht van de structuur, functie en evolutie van het D7-eiwit, waarbij we bespreken hoe genduplicatie en modificaties in hun OBP-achtige domeinen leiden tot de winst en het verlies van functie in verschillende hematofage Diptera-soorten.

Besmettelijke ziekteverwekkers kunnen infecties veroorzaken en het immuunsysteem is verantwoordelijk voor de verdediging tegen deze ziekteverwekkers en het voorkomen van infectie. Het immuunsysteem speelt een sleutelrol bij het identificeren en vernietigen van ziekteverwekkers. Infectieuze pathogenen zetten het immuunsysteem aan om antilichamen en cellulaire immuunresponsen te produceren die herinfectie voorkomen.

Bepaalde ziekteverwekkers kunnen echter de afweermechanismen van het immuunsysteem omzeilen of verzwakken, wat leidt tot verminderde immuniteit en dus tot een groter risico op infectie. HIV kan bijvoorbeeld de CD4 plus T-cellen van het immuunsysteem aanvallen, waardoor de werking van het immuunsysteem wordt verstoord en infectie gemakkelijker wordt.

Ook kan een verzwakte immuniteit bepaalde infecties ernstiger en moeilijker te behandelen maken. Daarom is het begrijpen van de relatie tussen infectieuze pathogenen en immuniteit erg belangrijk voor de preventie en behandeling van infectieziekten. Vanuit dit oogpunt moeten we de immuniteit verbeteren. Cistanche kan de immuniteit aanzienlijk verbeteren. De polysacchariden in het vlees kunnen de immuunrespons van het menselijke immuunsysteem reguleren, het stressvermogen van immuuncellen verbeteren en het bacteriedodende effect van immuuncellen versterken.

Klik op cistanche tubulosa kopen

Abstract:

Elke keer dat een insect een gewervelde gastheer bijt, veroorzaakt huid- en vaatletsel veroorzaakt door piercing een reeks reacties, waaronder hemostase, ontsteking en immuniteit. In plaats daarvan zou deze reeks overbodige en onderling verbonden reacties uiteindelijk bloedstolling, jeuk en pijn veroorzaken, wat leidt tot bewustzijn van de gastheer, wat in het beste geval resulteert in een onderbreking van de voeding. Niettemin bevat hematofaag geleedpotigenspeeksel een complexe cocktail van moleculen die cruciaal zijn voor het succes van bloedvoeding.

Een van de belangrijke eiwitfamilies die tot nu toe zijn beschreven in het speeksel van bloedzuigende geleedpotigen, is de D7, die overvloedig tot uiting komt in bloedvoedende Nematocera. D7-eiwitten zijn in de verte verwant aan insecten-geurbindende eiwitten (OBP), en ondanks een lage sequentie-identiteit leidde observatie van structurele gelijkenis tot de suggestie dat ze, net als OBP's, kleine hydrofobe verbindingen zouden moeten binden / sequestreren. Leden die tot deze familie behoren, zijn onderverdeeld in korte vormen en lange vormen, die respectievelijk een of twee OBP-achtige domeinen bevatten. Hier geven we een overzicht van de structuur en functie van het D7-eiwit, waarbij we bespreken hoe genduplicatie en enkele modificaties in hun OBP-achtige domeinen tijdens de evolutie leiden tot de winst en het verlies van functie bij verschillende hematofage Diptera-soorten.

Trefwoorden:

D7-eiwitten; geurstofbindende eiwitten; vectorbiologie; hematofagie; vector speeksel; hemostase; ontsteking.

1. Inleiding

Door vectoren overgedragen ziekten zijn behoorlijk divers in termen van symptomen, kenmerken, etiologische agentia en hun vectoren. Ondanks deze diversiteit is een gemeenschappelijk kenmerk van de meeste bekende vectoren het feit dat het hematofage geleedpotigen zijn. Het vermogen om zich te voeden met bloed brengt veel uitdagingen met zich mee, waaronder het vermogen om de gastheer te vinden, de huid te doorboren en de bloedbron te vinden, het bloed op te zuigen om het later te verteren en om te gaan met oxidatieve stress die wordt veroorzaakt door de spijsvertering (besproken in [1–3] ).

Elke keer dat een insect zijn gewervelde gastheer bijt, veroorzaakt huid- en vaatletsel een reeks reacties, waaronder hemostase, ontsteking en immuniteit [1,2,4–8]. Deze complexe en redundante biologische processen zijn onderling verbonden en kunnen zich voortplanten vanwege de productie/uitscheiding van vele klassen mediatoren, waaronder eicosanoïden, biogene aminen, coagulatie en complementfactoren.

Op hun plaats zouden ze een onderbreking van de bloedtoevoer naar de monddelen van de hematofage geleedpotige veroorzaken (als gevolg van vasculaire vernauwing, aggregatie van bloedplaatjes en bloedstolling) en het bewustzijn van de gastheer activeren (vanwege jeuk en pijn). Niettemin bevat het speeksel van bloedvoedende geleedpotigen een even complexe en overbodige mix van moleculen die in staat zijn om de afweer van de gastheer tegen te gaan en een cruciale rol spelen in het succes van hematofagie (besproken in [1,2,4-8]). Inderdaad, zoals Ribeiro al eerder zei, zijn hematofage geleedpotigen "levende injectiespuiten" en hun speeksel is nog steeds een relatief onbenutte bron van farmacologisch actieve moleculen [4].

De aanwezigheid van antistollingsmoleculen in het speeksel van hematofage geleedpotigen werd voor het eerst gerapporteerd aan het begin van de vorige eeuw [9,10], en de demonstratie van het belang van speekselafscheiding bij bloedvoeding werd voor het eerst voorgesteld in de jaren 800 [11-13] . Toch werd de samenstelling van het speeksel en de specifieke functie van zijn componenten nog steeds slecht begrepen. Het gebruik van grootschalige sequencing en proteomics in de afgelopen decennia heeft een beter begrip van de speekselsamenstelling mogelijk gemaakt, maar onthulde ook de complexiteit ervan en hoe weinig er bekend is [2,14]. Omdat hematofagie verschillende keren onafhankelijk is ontstaan ​​tijdens de evolutie van geleedpotigen, verschenen er vele manieren om met de uitdagingen van deze gewoonte om te gaan bij de verschillende insectenorden, of zelfs binnen hetzelfde geslacht, wat leidde tot de grote variatie in het repertoire van eiwitten om de afweer van de gastheer tegen te gaan. de beet [2,4,5,7,15,16].

Een van de belangrijke eiwitfamilies die tot nu toe zijn beschreven in het speeksel van bloedzuigende geleedpotigen, is de D7, overvloedig tot expressie gebracht in hematofage Diptera [17-19] en in de verte verwant aan insectengeurbindende eiwitten (OBP)/feromoonbindende eiwitten (PBP) .

Bij insecten variëren OBP's doorgaans van 100 tot 160 residuen, maar zoals waargenomen voor sommige leden die behoren tot "atypische / twee domeinen" of "Plus C" -subfamilies beschreven in Diptera, kunnen die tot 300 aminozuren bevatten [20-22 ]. Ze zijn aanwezig in verschillende volgordes en het aantal geannoteerde OBP-genen varieert sterk tussen verschillende soorten, evenals de aminozuursequentie.

Desalniettemin zijn hun cysteïnes sterk geconserveerd - klassiek 6, hoewel dit aantal kan variëren van 4 in minus C OBP's tot 8 in plus OBP's tot zelfs 9 of 10 - gepositioneerd binnen de polypeptideketen met een kenmerkende afstand tussen sommige daarvan [20,21 ,23]. In tegenstelling tot OBP's van gewervelde dieren, die alle eiwitten zijn die behoren tot de superfamilie lipocalins (SCOP: 3001332), worden insecten-OBP's geclassificeerd als alle eiwitten en behoren ze tot de insectenferomoon/geurbindende superfamilie (SCOP ID: 4000957). Ondanks de lage sequentie-identiteit tussen leden, hebben OBP's van klassieke insecten een zeer karakteristieke tertiaire structuur, met 6 -helices die typisch worden gestabiliseerd door 3 disulfidebindingen die een bindende holte vormen (Figuur 1A), omgeven door hydrofobe resten [20,24-26 ]. Het grote aantal en de diversiteit van hun primaire structuur, met behoud van de algehele architectuur, maakte ze zeer veelzijdig in termen van liganden, maar ze hadden allemaal één kenmerk gemeen: hun vermogen / potentieel om kleine hydrofobe moleculen te binden.

D7-eiwitten zijn niettemin beperkt tot bloedvoedende Nematocera, waar ze overvloedig tot expressie worden gebracht in hun speekselklieren. Leden van deze familie worden geclassificeerd in (1) korte vormen (D7S), ook bekend als D7-gerelateerd (D7r), met een molecuulgewicht van ongeveer 15–17 kDa, met één OBP-achtig domein (Figuur 1B); (2) lange vormen (D7L), met molecuulgewichten van ongeveer 30-38 kDa, samengesteld uit twee OBP-achtige domeinen (Figuur 1C). Zoals voor het eerst voorgesteld door Arcà en collega's [27] en later waargenomen door röntgendiffractiekristallografie [7,28-30], lijkt de architectuur van de D7-eiwitdomeinen, ondanks hun lage sequentie-overeenkomsten met OBP's, sterk op OBP's, samengesteld door - helices (over het algemeen 7–8 -helices hoewel in plaats van 6), die een hydrofobe pocket vormen (Figuur 1B, C) die geschikt is om hydrofobe moleculen te binden, zoals hieronder verder zal worden besproken.

De meeste van de tot nu toe gekarakteriseerde D7-eiwitten werden aangetroffen in het speeksel van bloedzuigende Diptera, waar ze werken als antihemostatische en/of ontstekingsremmende moleculen, waardoor bloedtoevoer wordt vergemakkelijkt. In dit artikel geven we een uitgebreid overzicht van de structuur, functie en evolutie van D7- en D{5}-achtige eiwitten, waarbij we enkele aspecten vergelijken met OBP's van geleedpotigen en andere eiwitfamilies die relevant zijn voor vectorfysiologie.

2. D7s: van de beschrijving van het eerste gen tot aanwijzingen over hun diversiteit, distributie en functies

Het eerste gen dat codeert voor een D7-eiwit werd geïsoleerd en beschreven in 1991 in Aedes aegypti [31], waarvan is aangetoond dat het overvloedig en exclusief tot expressie wordt gebracht in vrouwelijke speekselklieren die een eiwit van 37 kDa produceren. In situ hybridisatie met behulp van ontlede vrouwelijke speekselklieren onderzocht met antisense RNA voor het coderende gebied van dit gen onthulde dat de expressie ervan voornamelijk plaatsvond in de distale laterale en mediale lobben, regio's die zeer goed gedifferentieerd zijn bij vrouwen (hematofaag) in vergelijking met mannen (fytofaag) , wat suggereert dat het product zeer waarschijnlijk betrokken was bij bloedvoeding. Later, in een baanbrekende studie gericht op het identificeren van genen die exclusief tot expressie kwamen in de speekselklier van Anopheles gambiae en waarvan de producten signaalpeptiden bevatten, werden zes cDNA's geïsoleerd.

Drie van hen, waarvan is aangetoond dat ze overvloedig tot expressie komen in vrouwelijke speekselklieren, codeerden voor transcripten die vergelijkbaar waren met, zij het korter, de eerder beschreven Aedes aegypti D7, wat suggereert dat dit een nieuwe eiwitfamilie was. Alle drie kwamen ze volledig overeen met het C-terminale domein van Aedes D7 en werden daarom D7-gerelateerde eiwitten (D7r) genoemd: D7r1–D7r3 [32]. Evenzo werden ze uitgedrukt in vrouwelijke distale laterale lobben, hoewel slechts één van hen (D7r1) ook tot expressie werd gebracht in mediale lobben [32].

Een paar jaar later werd ook een vierde D7r (D7r4) gevonden in de vrouwelijke speekselklieren van Anopheles gambiae. Na uitlijning hadden deze 4 transcripten overeenkomsten tussen hen, variërend van 53 tot 73 procent, en heel belangrijk, ze hadden een lage mate van gelijkenis met OBP's en feromoonbindende eiwitten (PBP), maar hun 4 cysteïnes bevonden zich op geconserveerde posities gerelateerd aan antenne-eiwitten. en niet-antenne OBP's. Ondanks de lage sequentie-overeenkomst, suggereerde de voorspelling van de secundaire structuur structurele overeenkomsten met OBP's, daarom werd gepostuleerd dat D7s ook een hydrofobe bindingsholte zou kunnen hebben omgeven door -helices en in staat zou zijn om kleine hydrofobe moleculen te binden of te dragen, waarschijnlijk mediatoren die betrokken zijn bij gastheerreacties (zoals ontsteking en hemostase), gezien het feit dat ze overvloedig en exclusief waren voor vrouwelijk speeksel [27].

Het feit dat deze An. gambiae korte vormen uitgelijnd met de C-terminal van de Ae. aegypti D7L, en dat Southern-blot-assays andere leden in nauw verwante soorten vonden, leidden tot de mogelijkheid dat leden van deze genfamilie aanwezig kunnen zijn in andere muggensoorten en dat eiwitten met verschillende lengtes die door deze genen worden gecodeerd, vergelijkbare functies kunnen hebben, maar verschillende doelen vanwege verschil in hun primaire structuur [27].

Suwan en collega's rapporteerden inderdaad voor het eerst genen die coderen voor één D7L- en 2 D{2}}gerelateerde (korte) vormen in de speekselklier van Anopheles stephensi, en Western-blot met polyklonaal antilichaam geproduceerd om het lange-vorm-eiwit te herkennen, had kruiselingse reactiviteit ook met D7rs [33]. Dit was het eerste rapport dat aantoonde dat inderdaad lange en korte vormen bij dezelfde soort konden worden gevonden. Vervolgens rapporteerden latere studies de aanwezigheid van andere leden van deze familie in verschillende soorten muggen (familie Culicidae), waaronder Anopheles arabiensis, Aedes aegypti en Anopheles darlingi [17,18], evenals in andere hematofage Diptera die behoren tot de familie Psychodidae ( zandvliegen) [17].

Al met al suggereerden deze studies sterk dat: (1) D7 een familie van eiwitten was die waarschijnlijk wijdverspreid was in hematofage Diptera, exclusief tot expressie werd gebracht in vrouwelijke speekselklieren, en daarom een ​​belangrijke rol zou kunnen spelen bij bloedvoeding; (2) D7-eiwitten met een verschillende lengte en aminozuursequentie waren aanwezig in verschillende soorten en binnen dezelfde soort, waarschijnlijk als resultaat van genduplicatie die diversiteit genereert; (3) hun vermoedelijke doelwitten zouden kleine hydrofobe moleculen moeten zijn, zoals ontstekings- en/of hemostase-mediatoren [27,33]. Niettemin was hun functie nog steeds ongrijpbaar.

3. Speeksel D7-eiwitten zijn ontstekingsremmende en anti-hemostatische moleculen

D7 en andere OBP-achtige eiwitten die aanwezig zijn in het speeksel van bloedzuigende Nematocera kunnen variabiliteit hebben in hun primaire structuur, wat leidt tot winst en verlies van functie ondanks het behouden van enkele belangrijke kenmerken en algemene architectuur, zoals is waargenomen in veel OBP's. Tabel 1 geeft een samenvatting van D7- en D{5}}achtige eiwitten die tot nu toe zijn beschreven in het speeksel van verschillende soorten, en hun liganden, en geeft hun toegangsnummer voor de Protein Data Bank (PDB) weer, indien van toepassing. Details en fysiologische relevantie worden hieronder besproken.

3.1. Neem contact op met Pathway-remmers

De eerste D7 waarvan de functie werd gekarakteriseerd, was een korte vorm (D7r), genaamd Hamadarin [35], uitgedrukt in de SG van Anopheles stephensi-vrouwtjes. De dichtstbijzijnde D7 wordt uitgedrukt in An. gambiae zou D7r1 zijn. Hamadarin bleek te binden aan Factor XII (FXII) en High Molecular Weigh Kininogen (HMWK), waardoor de activering van de contactroute wordt geremd en bijgevolg de productie van bradykinine, en het werkt als een ontstekingsremmend molecuul. Desalniettemin vond de interactie met FXII en HMWK, bestudeerd door Surface Plasmon Resonance (SPR), in beide gevallen alleen plaats in de aanwezigheid van Zn2 ​​plus en had geen invloed op geactiveerde factoren amidolytische activiteit. Het remmende effect op de activering van het contactpad was eerder te wijten aan de interferentie met de wederzijdse activering van FXII en kallikreïne die zou moeten optreden bij hun interactie met geladen oppervlakken [35]. Een paar jaar later werd een andere remmer van de activering van de contactroute die in het speeksel van Anopheles stephensi (Anophensin) aanwezig was, gekarakteriseerd en aangetoond dat het vergelijkbare doelen had als Hamadarin, maar behoorde tot een compleet andere eiwitfamilie [42].

Opmerkelijk is dat een van de meest tot expressie gebrachte eiwitten in zandvliegspeeksel [43-45] een groep eiwitten is die ook tot de OBP-superfamilie behoort, niet wordt aangetroffen in muggen en verschilt van D7-eiwitten. Ze kregen voor het eerst aandacht, niet alleen vanwege hun overvloed, maar ook omdat ze werden geïdentificeerd als kandidaat-vaccins tegen Leishmaniasis [46,47]. Pas meer dan tien jaar later werden twee leden van deze groep gekarakteriseerd in het speeksel van Phlebotomus duboscqi: PdSP15a en PdSP15b (respectievelijk P. duboscqi Salivary Protein 15 a en b). Beide lijken erg op elkaar en remmen de activering van de contactroute en de productie van bradykinine [41], maar via een mechanisme dat verschilt van dat beschreven voor Hamadarin [35]. PdSP15a en b binden niet aan enige stollingsfactor (zymogenen of geactiveerde vormen), kallikreïne of prekallikreïne. Hun werking is echter door het binden van negatief geladen polymeren zoals dextraansulfaat (DS), polyfosfaat (PP) en heparine, waardoor hun interactie met FXII wordt voorkomen, noodzakelijk voor de automatische splitsing die de activering ervan veroorzaakt, en de daaropvolgende verspreiding van activering van het contactpad door wederzijdse activering van FXII en plasmaprekallikreïne (PK), evenals activering van FXI door trombine en FXIIa. Belangrijk is dat terwijl klassieke OBP's en D7's een hydrofobe pocket hebben waar hun kleine hydrofobe ligand zich bindt, structurele gegevens suggereren dat het werkingsmechanisme is door elektrostatische interactie tussen het anionische oppervlak en negatief geladen liganden, in plaats van enige binding in een hydrofobe holte [41,47] .

De plasmastollingscascade kan worden geïnitieerd door twee verschillende takken: (1) de extrinsieke route, geïnitieerd wanneer factor VII (FVII) wordt geactiveerd na binding aan subendotheliale weefselfactor (TF) die is blootgesteld na vasculair letsel. (2) Het contactpad, ook wel het intrinsieke pad genoemd, wordt geïnitieerd bij activering van FXII tot FXIIa veroorzaakt door het contact met negatief geladen oppervlakken. Beide routes convergeren na een reeks reacties naar de gemeenschappelijke route via FX-activering die uiteindelijk leidt tot fibrinogeensplitsing tot fibrine, essentieel voor stolselvorming [48,49]. In de afgelopen jaren zijn geneesmiddelen die zich richten op intrinsieke (contact) pathway-componenten zoals FXII en FXI uitgebreid bestudeerd, aangezien werd aangetoond dat muizen zonder FXII beschermd waren tegen trombusvorming terwijl ze geen ernstige bloedingsstoornissen hadden [50-52], wat suggereert dat deze route is belangrijk voor pathologische coagulatie.

Na activatie splitst factor XII plasmaprekallikreïne (PK) waardoor kallikreïne ontstaat, dat naast wederzijdse activering met FXII ook de hydrolyse van HMWK katalyseert en bradykinine genereert (kallikreïne-kininesysteem) [53]. Bradykinine is een krachtige pro-inflammatoire mediator die de endotheliale permeabiliteit [48,54] en pijn [55] verhoogt. Daarom zou de aanwezigheid van contactwegremmers in het speeksel van hematofage geleedpotigen een belangrijke rol spelen als ontstekingsremmende moleculen door de productie van bradykinine te verminderen (zoals aangetoond voor de D7s/OBP-achtige eiwitten hamada in [35] en PdSP15s [41]) en door het remmen/voorkomen van plasmalekkage veroorzaakt door activering van het contactpad, zoals gerapporteerd voor PdSP15s [41].

For more information:1950477648nn@gamil.com