Яд улиток-конусов помог создать быстродействующий мини-инсулин
Основываясь на данных о яде хищных улиток-конусов, ученые разработали миниатюрную версию инсулина, которая действует в несколько раз быстрее человеческого. Этот эффект достигается за счет того, что мини-инсулин не способен образовывать комплексы из нескольких молекул. Как отмечают исследователи в своей статье для Nature Structural and Molecular Biology, соединение может лечь в основу новых препаратов для снижения уровня глюкозы в крови.
Человеческий инсулин и его аналоги широко применяются при лечении сахарного диабета. Однако у этих веществ есть серьезный недостаток – склонность образовывать комплексы из двух или шести молекул. После введения под кожу они распадаются на мономеры лишь через 15-30 минут, что замедляет эффект от инъекции.
В поисках аналогов, позволяющих быстро снизить уровень глюкозы в крови, специалисты обратились к необычному источнику – хищным морским улиткам из семейства конусов (Conidae). Эти моллюски охотятся на рыб и беспозвоночных с помощью яда, который впрыскивают через видоизмененные зубы радулы. Яд конусов представляет собой сложный химический коктейль, состав которого варьируется от вида к виду. Например, у конуса географического (Conus geographus) в него входят быстродействующие варианты инсулина, вызывающие у жертвы резкое падение уровня сахара в крови и гипогликемический шок.
Исследователи во главе с Дэнни Хун-Чиех Чоу (Danny Hung-Chieh Chou) из Университета Юты тщательно изучили инсулины из яда конусов. Еще несколько лет назад члены команды доказали, что одна из этих молекул, Con-Ins-G1, способна связываться с инсулиновым рецептором человека. Этот вариант инсулина короче человеческого и не формирует димеры и гексамеры, что позволяет ему действовать намного быстрее. К сожалению, на рецепторы людей это соединение действует в 20-30 раз слабее обычного инсулина.
На новом этапе ученые решили совместить в одной молекуле лучшие качества Con-Ins-G1 и человеческого инсулина. Для этого они реконструировали структуру инсулина конуса и его взаимодействие с рецептором методами кристаллографии и криоэлектроной микроскопии.
Оказалось, что неспособность Con-Ins-G1 формировать димеры и гексамеры связана с отсутствием остатка на C-конце B-цепи. В человеческом инсулине на ней располагается октапептид, критически важный для взаимодействия с рецептором. Однако у конусов его нехватка компенсируется за счет аминокислотных остатков TyrB20 и TyrB15, первый из которых более важен.
Воспользовавшись полученными данными, авторы разработали небольшую гибридную молекулу, которую назвали мини-инсулином. Подобно Con-Ins-G1, у нее есть аминокислотный остаток TyrB20 и сильно укорочена B-цепь. Помимо этого, мини-инсулин несет аминокислотные остатки HisA8, GluB10 и ArgA9, которые усиливают взаимодействие с рецептором.
Эксперименты в пробирке и с участием лабораторных мышей показали, что эта молекула связывается с инсулиновым рецептором так же эффективно, как и человеческий инсулин. При этом она не образует комплексов, что позволяет ей действовать практически мгновенно. Как отмечают авторы, мини-инсулин – самая короткая в своем роде молекула, обладающая функциями инсулина.
Скромные размеры не только обеспечивают мини-инсулину быстродействие, но и облегчают его синтез. Это делает его главным кандидатом на роль препарата нового поколения для регуляции уровня глюкозы в крови.
Недавно исследователи разработали комплекс инсулина и катионного полимера, который способен высвобождать нужное количество этого гормона в зависимости от текущего уровня глюкозы в крови. Как показали эксперименты на мышах и свиньях с сахарным диабетом, единственная инъекции этой суспензии обеспечивает нормальный уровень глюкозы в крови гораздо дольше, чем обычный инсулин
Сергей Коленов
Исследование провели на личинках дрозофил
Японские исследователи в экспериментах с дрозофилами установили механизм влияния на нейропластичность фермента убиквитинлигазы, функции которого нарушены при синдроме Ангельмана. Как выяснилось, этот фермент в пресинаптических окончаниях аксонов отвечает за деградацию рецепторов к костному морфогенетическому белку, за счет чего устраняются ненужные синапсы в процессе развития нервной ткани. Отчет о работе опубликован в журнале Science. Синдром Ангельмана представляет собой нарушение развития, которое проявляется умственной отсталостью, двигательными нарушениями, эпилепсией, отсутствием речи и характерной внешностью. Его причиной служат врожденные дефекты фермента убиквитинлигазы Е3А (Ube3a), который присоединяет к белкам убиквитин, влияющий на их судьбу в клетке, в том числе деградацию. При синдроме Ангельмана сниженная активность Ube3a нарушает синаптическую пластичность в процессе нейроразвития, в частности элиминацию ненужных синапсов. Повышенная активность этого фермента, напротив, приводит к неустойчивости сформировавшихся синапсов и, как следствие, к расстройствам аутического спектра. Исследования постсинаптических функций Ube3a показали, что он играет роль в нейропластичности, в частности формировании дендритных шипиков. При этом, по данным иммунохимических и электронно-микроскопических исследований, в коре мозга мыши и человека этот фермент экспрессируется преимущественно пресинаптически. Учитывая высокую эволюционную консервативность Ube3a, сотрудники Токийского университета под руководством Кадзуо Эмото (Kazuo Emoto) использовали для изучения его пресинаптических функций сенсорные нейроны IV класса по ветвлению дендритов (C4da) личинок плодовой мухи дрозофилы. Число дендритов этих нейронов резко сокращается (происходит их прунинг) в первые 24 часа после образования куколки, а на последних стадиях ее развития дендриты разветвляются вновь уже по взрослому типу. Используя флуоресцентные метки различных биомаркеров нейронов, исследователи показали, что в ходе этого процесса ремоделированию подвергаются не только дендриты, но и пресинаптические окончания аксонов. Попеременно отключая разные компоненты участвующих в этих процессах молекулярных комплексов, ученые убедились, что для элиминации синапсов под действием сигнального пути гормонов линьки экдизонов необходима только Ube3a, но не куллин-1 E3-лигаза, участвующая в прунинге дендритов. Дальнейшие эксперименты с применением флуоресцентных меток и РНК-интерференции показали, что Ube3a активно транспортируется из тела нейрона в аксон двигательным белком кинезином со средней скоростью 483,8 нанометра в секунду. Создав мутантов с дефектами в различных участках Ube3a, авторы работы выяснили, что связанные с синдромом Ангельмана мутации D313V, V216G и I213T в среднем домене фермента, содержащем тандемные полярные остатки (TPRs), препятствуют его связи с кинезином и транспорту из тела нейрона в аксон. Как следствие, нарушается элиминация ненужных синапсов. Изменения в N-концевом цинк-связывающем домене AZUL и C-концевом HECT влияли на эти процессы в значительно меньшей степени. Ube3a принимает участие в убиквитинировании многих клеточных белков. Чтобы выяснить, какой из них опосредует элиминацию синапсов, авторы работы вызывали в нейронах избыточную экспрессию разных белков-мишеней Ube3a с целью насытить этот фермент и таким образом заблокировать его действие. Оказалось, что выраженные дефекты элиминации синапсов возникают при избыточной экспрессии тиквеина (Tkv) — пресинаптического рецептора к костному морфогенетическому белку (ВМР); прунинг дендритов при этом не затрагивается. Исследование нормальной экспрессии Tkv с помощью флуоресцентных меток показало, что ее уровень значительно снижается через восемь часов после начала формирования куколки. У мутантов, лишенных Ube3a, этого не происходило. Выключение гена tkv или другого компонента сигнального пути BMP — mad — восстанавливало элиминацию синапсов у таких мутантов, то есть за нее отвечает именно этот сигнальный путь. Это подтвердили, восстановив элиминацию синапсов у мутантов без Ube3a антагонистом BMP LDN193189, а также экспрессией белков Glued-DN или Dad, которые подавляют сигнальную активность Mad. Искусственное повышение пресинаптической экспрессии Ube3a в нейронах C4da вызывало массированную преждевременную элиминацию сформировавшихся синапсов и общее уменьшение синаптической передачи у личинок третьего возраста. Это происходило из-за чрезмерного подавления сигнального пути BMP. Таким образом, дефекты убиквитинлигазы Ube3a, лежащие в основе синдрома Ангельмана, приводят к избыточной активности сигнального пути BMP, вследствие чего не происходит устранение ненужных синапсов в процессе развития нервной системы. Этот сигнальный путь может послужить мишенью для разработки новых методов лечения этого синдрома, а возможно и расстройств аутического спектра, считают авторы работы. В 2020 году американские исследователи сообщили, что им удалось предотвратить развитие синдрома Ангельмана у мышей с мутацией материнской копии гена UBE3A. Для этого они с помощью системы CRISPR/Cas9 инактивировали длинную некодирующую РНК UBE3A-ATS, которая подавляет экспрессию отцовской копии UBE3A.