Tổng quan về cấu trúc protein D7 và vai trò sinh lý trong tuyến trùng ăn máu Phần 1

Tóm tắt đơn giản:

Vector là những sinh vật có thể truyền mầm bệnh truyền nhiễm từ vật chủ này (người hoặc động vật) sang vật chủ khác. Nhiều vectơ (bao gồm muỗi, ruồi cát và bọ ve) có một đặc điểm chung: chúng là động vật chân đốt hút máu (hematophagous). Mỗi khi chúng cắn vật chủ là động vật có xương sống, tổn thương da và mạch máu sẽ kích hoạt một loạt phản ứng tại chỗ có thể dẫn đến gián đoạn lưu lượng máu đến bộ phận miệng của chúng và khiến vật chủ nhận thức do ngứa và đau. Tuy nhiên, nước bọt của chúng chứa hỗn hợp các phân tử có khả năng chống lại các phản ứng này của vật chủ (cầm máu, viêm và miễn dịch), cho phép chúng kiếm ăn thành công.

Nhiều lần, mầm bệnh mà chúng truyền tải được tiêm vào vật chủ bằng nước bọt. Do đó, hiểu được thành phần của nước bọt véc tơ là rất quan trọng để nghiên cứu sinh học và khả năng của véc tơ, cũng như đề xuất các phương pháp mới để kiểm soát các bệnh mà chúng truyền (bao gồm cả các ứng cử viên vắc-xin mới). Trong số các họ protein tiết nước bọt quan trọng là D7, được biểu hiện phong phú ở bộ Diptera hút máu và có họ hàng xa với các Protein liên kết với mùi (OBP). Ở đây, chúng tôi cung cấp một đánh giá toàn diện về cấu trúc, chức năng và sự tiến hóa của protein D7, thảo luận về cách sao chép và sửa đổi gen trong các miền giống như OBP của chúng dẫn đến tăng và giảm chức năng ở các loài Diptera hút máu khác nhau.

Các mầm bệnh truyền nhiễm có thể gây nhiễm trùng và hệ thống miễn dịch chịu trách nhiệm bảo vệ chống lại các mầm bệnh này và ngăn ngừa nhiễm trùng xảy ra. Hệ thống miễn dịch đóng vai trò then chốt trong việc xác định và tiêu diệt mầm bệnh. Các mầm bệnh truyền nhiễm khiến hệ thống miễn dịch tạo ra kháng thể và phản ứng miễn dịch tế bào để ngăn ngừa tái nhiễm.

Tuy nhiên, một số mầm bệnh có thể bỏ qua hoặc làm suy yếu cơ chế bảo vệ của hệ thống miễn dịch, dẫn đến giảm khả năng miễn dịch và do đó làm tăng nguy cơ nhiễm trùng. Ví dụ, HIV có thể tấn công CD4 cộng với các tế bào T của hệ thống miễn dịch, phá vỡ chức năng của hệ thống miễn dịch và làm cho nhiễm trùng dễ dàng hơn.

Ngoài ra, khả năng miễn dịch suy yếu có thể làm cho một số bệnh nhiễm trùng trở nên nghiêm trọng và khó điều trị hơn. Vì vậy, hiểu biết về mối quan hệ giữa tác nhân gây bệnh truyền nhiễm và khả năng miễn dịch là rất quan trọng đối với việc phòng ngừa và điều trị các bệnh truyền nhiễm. Từ quan điểm này, chúng ta cần cải thiện khả năng miễn dịch. Cistanche có thể cải thiện đáng kể khả năng miễn dịch. Các polysacarit trong thịt có thể điều chỉnh phản ứng miễn dịch của hệ thống miễn dịch của con người, cải thiện khả năng căng thẳng của các tế bào miễn dịch và tăng cường tác dụng diệt khuẩn của các tế bào miễn dịch.

Nhấp vào cistanche tubulosa để mua

Trừu tượng:

Mỗi khi côn trùng cắn vật chủ có xương sống, tổn thương da và mạch máu do xỏ khuyên sẽ kích hoạt một loạt phản ứng bao gồm cầm máu, viêm và miễn dịch. Tại chỗ, tập hợp các phản ứng dư thừa và liên kết với nhau này cuối cùng sẽ gây ra hiện tượng đông máu, ngứa và đau dẫn đến nhận thức của vật chủ, dẫn đến việc cho ăn bị gián đoạn trong trường hợp tốt nhất. Tuy nhiên, nước bọt của động vật chân đốt hút máu có chứa một hỗn hợp phân tử phức tạp rất quan trọng đối với sự thành công của việc hút máu.

Trong số các họ protein quan trọng được mô tả cho đến nay trong nước bọt của động vật chân đốt hút máu, có D7, được biểu hiện nhiều ở Nematocera ăn máu. Các protein D7 có liên quan xa đến Protein liên kết với mùi của côn trùng (OBP) và mặc dù nhận dạng trình tự thấp, việc quan sát sự tương đồng về cấu trúc đã dẫn đến gợi ý rằng giống như OBP, chúng nên liên kết/cô lập các hợp chất kỵ nước nhỏ. Các thành viên thuộc họ này được chia thành dạng ngắn và dạng dài, tương ứng chứa một hoặc hai miền giống OBP. Ở đây, chúng tôi cung cấp một đánh giá về cấu trúc và chức năng của protein D7, thảo luận về cách sao chép gen và một số sửa đổi trong các miền giống như OBP của chúng trong quá trình tiến hóa dẫn đến việc tăng và giảm chức năng giữa các loài Diptera hút máu khác nhau.

từ khóa:

protein D7; protein liên kết với chất tạo mùi; sinh học véc tơ; thực bào máu; véc tơ nước bọt; cầm máu; viêm nhiễm.

1. Giới thiệu

Các bệnh do véc tơ truyền khá đa dạng về triệu chứng, đặc điểm, tác nhân gây bệnh và véc tơ truyền bệnh. Bất chấp sự đa dạng này, một đặc điểm chung được chia sẻ bởi hầu hết các vectơ đã biết là thực tế chúng là động vật chân đốt hút máu. Khả năng hút máu đặt ra nhiều thách thức bao gồm khả năng tìm thấy vật chủ, xuyên qua da và tìm nguồn máu, hút máu để tiêu hóa sau đó và đối phó với stress oxy hóa do quá trình tiêu hóa tạo ra (được xem xét trong [1–3] ).

Mỗi khi côn trùng cắn vật chủ có xương sống, tổn thương da và mạch máu sẽ kích hoạt một loạt phản ứng bao gồm cầm máu, viêm và miễn dịch [1,2,4–8]. Các quá trình sinh học phức tạp và dư thừa này được kết nối với nhau và có khả năng lan truyền do sản xuất/bài tiết nhiều loại chất trung gian, bao gồm eicosanoids, amin sinh học, đông máu và các yếu tố bổ sung.

Tại chỗ, chúng sẽ gây ra sự gián đoạn lưu lượng máu đến phần miệng của động vật chân đốt hút máu (do co thắt mạch máu, kết tập tiểu cầu và đông máu) và kích hoạt nhận thức của vật chủ (do ngứa và đau). Tuy nhiên, nước bọt của động vật chân đốt hút máu chứa hỗn hợp các phân tử phức tạp và dư thừa không kém có khả năng chống lại sự phòng vệ của vật chủ đóng vai trò then chốt trong sự thành công của quá trình thực bào máu (được đánh giá trong [1,2,4–8]). Thật vậy, như Ribeiro đã nêu trước đây, động vật chân đốt hút máu là "ống tiêm sống" và nước bọt của chúng vẫn là một nguồn tương đối chưa được khai thác của các phân tử có hoạt tính dược lý [4].

Sự hiện diện của các phân tử chống đông máu trong nước bọt của động vật chân đốt hút máu lần đầu tiên được báo cáo vào đầu thế kỷ trước [9,10], và việc chứng minh tầm quan trọng của việc tiết nước bọt trong việc lấy máu lần đầu tiên được đề xuất vào những năm 800 [11–13] . Tuy nhiên, thành phần của nước bọt và chức năng cụ thể của các thành phần của nó vẫn chưa được hiểu rõ. Việc sử dụng trình tự quy mô lớn và proteomics trong những thập kỷ qua cho phép hiểu rõ hơn về thành phần nước bọt nhưng cũng cho thấy sự phức tạp của nó và mức độ ít được biết đến [2,14]. Vì hematophagy đã phát sinh độc lập nhiều lần trong quá trình tiến hóa của động vật chân đốt, nên nhiều cách để đối phó với những thách thức do thói quen này gây ra đã xuất hiện giữa các bộ côn trùng khác nhau, hoặc thậm chí trong cùng một chi dẫn đến sự biến đổi rộng rãi trong danh mục protein để chống lại sự phòng vệ của vật chủ đối với vết cắn [2,4,5,7,15,16].

Trong số các họ protein quan trọng được mô tả cho đến nay trong nước bọt của động vật chân đốt hút máu, là D7, được biểu hiện phong phú ở loài Diptera hút máu [17–19] và có họ hàng xa với Protein liên kết với mùi của côn trùng (OBP)/ Protein liên kết với pheromone (PBP) của côn trùng .

Ở côn trùng, OBP thường có từ 100 đến 160 gốc, nhưng theo quan sát đối với một số thành viên thuộc phân họ "không điển hình/hai miền" hoặc "Plus C" được mô tả trong bộ Diptera, có thể có tới 300 axit amin [20–22 ]. Chúng có mặt theo nhiều trật tự khác nhau và số lượng gen OBP được chú thích thay đổi rất nhiều giữa các loài khác nhau, cũng như trình tự axit amin.

Tuy nhiên, các cystein của chúng được bảo tồn cao—về mặt kinh điển là 6, mặc dù con số này có thể thay đổi từ 4 trong các OBP trừ C đến 8 trong các OBP cộng hoặc thậm chí là 9 hoặc 10—được định vị trong chuỗi polypeptide với khoảng cách đặc trưng giữa một số trong số đó [20,21 ,23]. Khác với OBP của động vật có xương sống, là tất cả các protein thuộc siêu họ lipocalins (SCOP: 3001332), OBP của côn trùng được phân loại là tất cả protein và thuộc siêu họ liên kết với pheromone/chất tạo mùi của côn trùng (ID SCOP: 4000957). Bất chấp sự đồng nhất trình tự thấp giữa các thành viên, OBP côn trùng cổ điển có cấu trúc bậc ba rất đặc trưng, ​​với các vòng xoắn 6 -thường được ổn định bằng 3 liên kết disulfua tạo thành khoang liên kết (Hình 1A), được bao quanh bởi các gốc kỵ nước [20,24–26 ]. Số lượng lớn và sự đa dạng của cấu trúc chính của chúng, trong khi duy trì cấu trúc tổng thể, khiến chúng trở nên rất linh hoạt về mặt phối tử, nhưng tất cả đều có một đặc điểm chung: khả năng/tiềm năng liên kết các phân tử kỵ nước nhỏ.

Tuy nhiên, các protein D7 bị hạn chế ở Nematocera hút máu, nơi chúng được biểu hiện dồi dào trong tuyến nước bọt của chúng. Các thành viên của họ này được phân loại ở (1) dạng ngắn (D7S), còn được gọi là liên quan đến D7 (D7r), với trọng lượng phân tử khoảng 15–17 kDa, chứa một miền giống OBP (Hình 1B); (2) dạng dài (D7L), với trọng lượng phân tử khoảng 30–38 kDa, được cấu tạo bởi hai miền giống OBP (Hình 1C). Theo đề xuất đầu tiên của Arcà và các đồng nghiệp [27] và sau đó được quan sát bằng phương pháp tinh thể học nhiễu xạ tia X [7,28–30], mặc dù có trình tự tương tự thấp với OBP, kiến ​​trúc vùng protein D7 rất giống với OBP, được cấu tạo bởi - các vòng xoắn (thường là 7–8 -vòng xoắn thay vì 6), tạo thành một túi kỵ nước (Hình 1B, C) thích hợp để liên kết các phân tử kỵ nước, như sẽ được thảo luận thêm bên dưới.

Hầu hết các protein D7 đặc trưng cho đến nay đều được tìm thấy trong nước bọt của loài Diptera hút máu, nơi chúng hoạt động như các phân tử chống cầm máu và/hoặc chống viêm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cung cấp máu. Trong bài báo hiện tại, chúng tôi cung cấp một đánh giá toàn diện về D7 và D7-như cấu trúc, chức năng và sự tiến hóa của protein, so sánh một số khía cạnh với OBP của động vật chân đốt và các họ protein khác có liên quan đến sinh lý học véc tơ.

2. D7s: Từ mô tả về gen đầu tiên đến manh mối về tính đa dạng, phân bố và chức năng của chúng

Gen đầu tiên mã hóa protein D7 đã được phân lập và mô tả vào năm 1991 ở Aedes aegypti [31], được biểu hiện phong phú và độc quyền ở các tuyến nước bọt của phụ nữ sản xuất protein 37 kDa. Phép lai tại chỗ bằng cách sử dụng các tuyến nước bọt của con cái đã được mổ xẻ để thăm dò với ARN đối nghĩa cho vùng mã hóa của gen này cho thấy biểu hiện của nó chủ yếu ở các thùy bên và thùy giữa, những vùng rất khác biệt ở con cái (ăn máu) khi so sánh với con đực (ăn thực vật) , cho thấy sản phẩm của nó rất có khả năng liên quan đến việc hút máu. Sau đó, trong một nghiên cứu tiên phong nhằm xác định các gen được biểu hiện độc quyền trong tuyến nước bọt của Anopheles gambiae và các sản phẩm của chúng chứa các peptit tín hiệu, sáu cDNA đã được phân lập.

Ba trong số chúng, được biểu hiện nhiều ở tuyến nước bọt cái, mã hóa các bản phiên mã tương tự, mặc dù ngắn hơn, với Aedes aegypti D7 đã mô tả trước đó, gợi ý rằng đây là một họ protein mới. Cả ba đều được căn chỉnh hoàn toàn với miền đầu cuối C của Aedes D7, do đó được đặt tên là các protein liên quan đến D7- (D7r): D7r1–D7r3 [32]. Tương tự như vậy, chúng được biểu hiện ở các thùy bên xa của nữ giới, mặc dù chỉ một trong số chúng (D7r1) cũng được biểu hiện ở các thùy giữa [32].

Một vài năm sau, D7r thứ tư (D7r4) cũng được tìm thấy trong tuyến nước bọt của con cái Anopheles gambiae và được chứng minh là nằm gần với ba dạng còn lại tạo thành một cụm trên nhiễm sắc thể 3R [27]. Khi được căn chỉnh, 4 bản phiên mã này có mức độ tương đồng giữa chúng nằm trong khoảng từ 53 đến 73 phần trăm và rất quan trọng, chúng có mức độ tương đồng thấp với OBP và Protein liên kết Pheromone (PBP), nhưng 4 cystein của chúng nằm ở các vị trí được bảo tồn liên quan đến râu. và OBP không anten. Mặc dù độ tương tự trình tự thấp, dự đoán cấu trúc thứ cấp cho thấy sự tương đồng về cấu trúc với OBP, do đó người ta cho rằng D7 cũng có thể có túi liên kết kỵ nước được bao quanh bởi -helice và có khả năng liên kết hoặc mang các phân tử kỵ nước nhỏ, có thể là chất trung gian liên quan đến phản ứng của vật chủ (như viêm và cầm máu), thực tế là chúng rất phong phú và độc quyền trong nước bọt của phụ nữ [27].

Thực tế là những An. gambiae dạng ngắn thẳng hàng với đầu C của Ae. aegypti D7L, và các xét nghiệm Southern blot đã tìm thấy các thành viên khác trong các loài có quan hệ họ hàng gần đã làm tăng khả năng các thành viên của họ gen này có thể có mặt ở các loài muỗi khác và các protein có độ dài khác nhau được mã hóa bởi các gen này có thể có chức năng tương tự, nhưng các mục tiêu khác nhau do đến sự khác biệt trong cấu trúc chính của chúng [27].

Thật vậy, Suwan và đồng nghiệp lần đầu tiên báo cáo các gen mã hóa một dạng D7L và 2 D7-liên quan (ngắn) trong tuyến nước bọt của Anopheles stephensi và Western blot với kháng thể đa dòng được tạo ra để nhận ra protein dạng dài đã giao thoa khả năng phản ứng với D7rs [33]. Đây là báo cáo đầu tiên cho thấy rằng các dạng dài và ngắn thực sự có thể được tìm thấy trong cùng một loài. Sau đó, các nghiên cứu tiếp theo đã báo cáo sự hiện diện của các thành viên khác trong họ này ở các loài muỗi khác nhau (họ Culicidae) bao gồm Anopheles arabiensis, Aedes aegypti và Anopheles Darni [17,18], cũng như ở các loài Diptera ăn máu khác thuộc họ Psychodidae ( ruồi cát) [17].

Nhìn chung, các nghiên cứu này gợi ý mạnh mẽ rằng: (1) D7 là một họ protein có thể phổ biến rộng rãi ở Diptera hút máu, biểu hiện độc quyền ở tuyến nước bọt của con cái, do đó chúng có thể có vai trò quan trọng trong việc cung cấp máu; (2) Các protein D7 khác nhau về chiều dài và trình tự axit amin có mặt ở các loài khác nhau và trong cùng một loài, có thể là kết quả của quá trình sao chép gen tạo ra sự đa dạng; (3) mục tiêu giả định của chúng phải là các phân tử kỵ nước nhỏ, chẳng hạn như các chất trung gian gây viêm và/hoặc cầm máu [27,33]. Tuy nhiên, chức năng của họ vẫn còn khó nắm bắt.

3. Protein D7 trong nước bọt là các phân tử chống viêm và chống cầm máu

D7 và các protein giống OBP khác có trong nước bọt của Nematocera hút máu có thể có sự thay đổi trong cấu trúc chính của chúng, dẫn đến tăng và giảm chức năng mặc dù vẫn giữ một số tính năng chính và cấu trúc chung, như đã được quan sát thấy ở nhiều OBP. Bảng 1 tóm tắt các protein giống như D7 và D7-được mô tả cho đến nay trong nước bọt của các loài khác nhau, phối tử của chúng và cung cấp số gia nhập Ngân hàng Dữ liệu Protein (PDB) của chúng, nếu có. Chi tiết và liên quan sinh lý được thảo luận dưới đây.

3.1. Chất ức chế con đường tiếp xúc

D7 đầu tiên có chức năng được đặc trưng là một dạng ngắn (D7r), tên là Hamadarin [35], được thể hiện trong SG của Anopheles stephensi cái. D7 gần nhất của nó được thể hiện bằng An. gambiae sẽ là D7r1. Hamadarin đã được chứng minh là liên kết với Yếu tố XII (FXII) và Kininogen có trọng lượng phân tử cao (HMWK), do đó ức chế sự kích hoạt con đường tiếp xúc và do đó sản xuất bradykinin, hoạt động như một phân tử chống viêm. Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, sự tương tác với FXII và HMWK, được nghiên cứu bởi Cộng hưởng Plasmon Bề mặt (SPR), chỉ xảy ra khi có mặt của Zn2+ và không ảnh hưởng đến hoạt động phân giải amit của các yếu tố được kích hoạt. Thay vào đó, tác dụng ức chế của nó đối với việc kích hoạt đường tiếp xúc là do nó can thiệp vào quá trình kích hoạt tương hỗ của FXII và kallikrein sẽ xảy ra khi chúng tương tác với các bề mặt tích điện [35]. Một vài năm sau, một chất ức chế kích hoạt con đường tiếp xúc khác có trong nước bọt của Anopheles stephensi (Anophensin) đã được mô tả và cho thấy có mục tiêu tương tự như Hamadarin nhưng thuộc họ protein hoàn toàn khác [42].

Đáng chú ý, trong số các protein được biểu hiện nhiều nhất trong nước bọt của ruồi cát [43–45], là một nhóm protein cũng thuộc siêu họ OBP, không được tìm thấy ở muỗi và khác biệt với protein D7. Đầu tiên, chúng được chú ý không chỉ vì sự phong phú của chúng mà còn vì chúng được xác định là ứng cử viên vắc-xin chống lại bệnh Leishmania [46,47]. Chỉ hơn một thập kỷ sau, hai thành viên của nhóm này được đặc trưng trong nước bọt của Phlebotomus duboscqi: PdSP15a và PdSP15b (P. duboscqi Salivary Protein 15 a và b, tương ứng). Cả hai đều rất giống nhau và ức chế kích hoạt con đường tiếp xúc và sản xuất bradykinin [41] nhưng thông qua một cơ chế khác với cơ chế được mô tả cho Hamadarin [35]. PdSP15a và b không liên kết với bất kỳ yếu tố đông máu nào (zymogen hoặc dạng hoạt hóa), kallikrein hoặc prekallikrein. Mặc dù vậy, hoạt động của chúng là thông qua việc liên kết các polyme tích điện âm như dextran sulfat (DS), polyphosphate (PP) và heparin, ngăn chặn sự tương tác của chúng với FXII, cần thiết cho quá trình tự động phân tách kích hoạt hoạt hóa của nó và sau đó là sự lan truyền quá trình kích hoạt con đường tiếp xúc thông qua kích hoạt tương hỗ FXII và prekallikrein huyết tương (PK), cũng như kích hoạt FXI bởi thrombin và FXIIa. Điều quan trọng là trong khi các OBP và D7 cổ điển có một túi kỵ nước nơi phối tử kỵ nước nhỏ của chúng liên kết, thì dữ liệu cấu trúc cho thấy cơ chế hoạt động của nó là thông qua tương tác tĩnh điện giữa bề mặt anion của nó và các phối tử tích điện âm, chứ không phải bất kỳ liên kết nào bên trong khoang kỵ nước [41,47] .

Dòng thác đông máu huyết tương có thể được bắt đầu bởi hai nhánh riêng biệt: (1) con đường bên ngoài, được bắt đầu khi yếu tố VII (FVII) được kích hoạt khi liên kết với yếu tố mô dưới nội mô (TF) bộc lộ sau tổn thương mạch máu. (2) Con đường tiếp xúc, còn được gọi là con đường nội tại, được bắt đầu khi kích hoạt FXII thành FXIIa được kích hoạt bởi sự tiếp xúc của nó với các bề mặt tích điện âm. Cả hai con đường sau một loạt phản ứng hội tụ thành con đường chung thông qua kích hoạt FX, cuối cùng dẫn đến sự phân cắt fibrinogen thành fibrin, cần thiết cho sự hình thành cục máu đông [48,49]. Trong những năm gần đây, các loại thuốc nhắm vào các thành phần con đường nội tại (tiếp xúc) như FXII và FXI đã được nghiên cứu rộng rãi vì người ta thấy rằng những con chuột thiếu FXII được bảo vệ khỏi sự hình thành huyết khối trong khi không bị rối loạn chảy máu nghiêm trọng [50–52], cho thấy con đường này là quan trọng đối với đông máu bệnh lý.

Sau khi kích hoạt, yếu tố XII tách prekallikrein huyết tương (PK) tạo ra kallikrein, ngoài việc kích hoạt qua lại với FXII còn xúc tác quá trình thủy phân HMWK tạo ra bradykinin (hệ thống kallikrein-kinin) [53]. Bradykinin là một chất trung gian gây viêm mạnh làm tăng tính thấm nội mô [48,54] và giảm đau [55]. Do đó, sự hiện diện của các chất ức chế con đường tiếp xúc trong nước bọt của động vật chân đốt hút máu sẽ đóng một vai trò quan trọng như là các phân tử chống viêm bằng cách giảm sản xuất bradykinin (như thể hiện đối với hamada protein giống D7s/OBP trong [35] và PdSP15s [41]) và bằng cách ức chế/ngăn chặn rò rỉ huyết tương do kích hoạt đường dẫn tiếp xúc như đã báo cáo cho PdSP15s [41].

For more information:1950477648nn@gamil.com