Как яд черной мамбы может помочь в создании анальгетиков? Чем опасны морские ракушки конусы? Какие возможности в создании лекарств открываются благодаря скринингу in silico? На эти и другие вопросы отвечает доктор химических наук Виктор Цетлин.

Разделение нейротоксинов на пептидные и белковые весьма условное. Когда мы находимся на границе, то называют полипептид, и не всегда легко сказать, токсин это или белок. Скажем, небольшой белок инсулин иногда называют белком, иногда называют полипептидом. Белковые нейротоксины из ядов змей — это небольшие белки 60–75 аминокислотных остатков. Что в них интересно? Это очень прочные молекулы. Чем это достигается? Каждый такой токсин содержит как минимум четыре дисульфидные связи, то есть перешивающие молекулу между остатками цистина, а в некоторых случаях и пятую дисульфидную связь. Именно этим достигается высокая жесткость токсинов.

Вообще говоря, сейчас имеются кристаллические структуры токсинов, структуры ядерного магнитного резонанса. Их называют трехпетельные токсины, потому что, взглянув на пространственную структуру, можно увидеть как бы три петли или три пальца (точный английский термин — three-finger), то есть трехпальцевые токсины. Причем эта укладка характерна для белков, выполняющих самые разнообразные функции. В тех же ядах змей, скажем кобр, содержатся структуры, вы смотрите на них — как будто один и тот же белок, а действие или мишени совершенно разные, а какие-то из них действуют на ацетилхолиновые никотиновые рецепторы, так называемые альфа-нейротоксины, и они сыграли свою колоссальную роль более сорока лет назад — помогли выделить в индивидуальном виде первые никотиновые ацетилхолиновые рецепторы. Белки такого же строения, трехпальцевые токсины, блокируют ацетилхолины сразу. Белки, имеющие те же четыре дисульфидные связи, взаимодействуют с так называемыми мускариновыми рецепторами и так далее и так далее.

Эти токсины не стали интересом или материалом прошлого. Статья за 2012 год, французская группа профессора Лаздунского из яда черной мамбы выделяет такой трехпетельный нейротоксин, он называется мамбалгин. Он с изумительной точностью блокирует один из наших рецепторов — кислоточувствительный ионный канал (английское сокращение — ASIC). Почему это важно? Потому что это один из самых важных ноцицептивных рецепторов, он проводит боль. То есть этот мамбалгин задает тему для создания нового анальгетика, и французы делают это достаточно активно. Я недавно там был, привлекается даже мощная сингапурская фирма, для того чтобы разработать такое лекарство. Это трехпетельные белковые токсины.

Есть другой класс очень интересных токсинов, их можно спокойно назвать пептидные нейротоксины, они присутствуют в ядовитых морских ракушках конусах. Очень красивые ракушки, я помню, даже был рисунок одной такой ракушки — рисунок Рембрандта. Чем они интересны? Сейчас говорят о том, что и в ядах змей, и в ядах этих морских моллюсков конусов содержатся — я использую термин — комбинаторные библиотеки пептидов. Почему и откуда такое название? Скажем, этих моллюсков конусов примерно тысяча видов, яд не каждого из них исследован, но для многих из них исследования эти уже проведены, и показано, что удается выделить из каждого яда порядка минимум 50–100 нейротоксических пептидов.

Если вы проведете перемножение, мы получим громадную коллекцию соединений. Причем это не просто собранные со всего мира за долгие годы органические соединения, а у них в этих моллюсках всегда одна и та же цель — им нужно обездвижить свою жертву. То есть эти маленькие пептиды действуют на нервную систему, обездвиживая, вызывая боль или даже иногда вызывая приятные чувства у своей жертвы, другие какие-то токсины снимают болевой эффект — идет сочетание токсинов, которые обездвиживают и снимают болевые эффекты. То есть вы прекрасно понимаете, что это колоссальные возможности для проектирования лекарств. В этом же разнообразии моллюски живут в разных регионах, у них разные, скажем так, «диетические» пристрастия: одни едят маленьких рыб, другие — червей и так далее и так далее. Соответственно, у каждого моллюска, у каждого вида свой набор таких токсинов, то есть именно этим обеспечивается и разнообразие.

Что еще интересно, есть разные классы рецепторов, скажем рецепторы, которые являются ионными каналами, так называемые лиганд-управляемые ионные каналы, как никотиновый рецептор, никотин или ацетилхолин, подошли к молекуле рецептора, открыли канал, пошли ионные токи, пошло функционирование и так далее. Есть так называемый потенциал-зависимые каналы — не надо никакого химического сигнала: изменяется потенциал мембраны, и канал начинает работать. И громадный класс рецепторов, которые сами по себе каналами не являются, представитель таких рецепторов — это родопсин в нашем глазу, это адренергический рецептор и так далее и так далее.

В различных ядах моллюсков конусов есть токсины, которые избирательно найдут и заблокируют, а в некоторых случаях активируют действие определенного рецептора.

И, кстати, конотоксины являются очень ярким примером: это не только инструменты, а некоторые из них уже стали лекарствами. Самое удивительное, конотоксин как таковой из одного из моллюсков, действующий на кальциевые каналы, уже примерно с 2004 года (это было решение американской администрации по использованию лекарств) находится в клинике как сильнейший анальгетик. Это, конечно, не таблетка, которую придете и купите в аптеке, потому что он используется в тяжелых случаях у онкологических больных, причем вводится это непосредственно в спинной мозг. Но это в клиниках все отработано, и у него есть колоссальное преимущество — он не вызывает такой морфиновой зависимости, как вызывает сам морфин. И поэтому очень многие конотоксины сейчас разрабатываются как потенциальные анальгетические средства, многие находятся на первой стадии клинических испытаний, некоторые на второй. Причем мишени действия разные. К примеру, один из конотоксинов проходит испытание как возможный антиэпилептический препарат.

Мне об этой области достаточно легко и приятно говорить, потому что наша лаборатория является одной из ведущих в мире. И первая кристаллическая структура конотоксина в комплексе с потенциальной мишенью, с ацетилхолин-связывающим белком, была сделана нами в содружестве с голландскими кристаллографами. Так что эти работы продолжаются, в нашей лаборатории идет дизайн новых конотоксинов, у которых мы стараемся увеличить ее возможную анальгетическую активность. Так что эти исследования продолжаются. И это как раз наиболее яркий пример, когда определенный класс токсинов может привести к вполне реально настоящим лекарствам.

Здесь при создании лекарств, начиная с нейротоксических пептидов, есть очень благодатная почва. Имеются кристаллические структуры ацетилхолин-связывающего белка, я уже упомянул, причем не только с конотоксинами, а можно связать и с традиционными соединениями, с никотином, активирующим рецепторы, с тубокурарином, который рецепторы блокирует, то есть имеется вся панель потенциальных соединений, повышающих или снижающих эффективность работы рецепторов. Причем важно и то и другое. При болезни Альцгеймера важно повысить активность определенного никотинового рецептора — рецептора альфа-7 — в мозге, а при раковых заболеваниях надо заблокировать тот же самый подтип рецептора, находящийся в иммунной системе. Поэтому оправдана такая двунаправленность конструирования и агонистов соединений, так называемых позитивных модуляторов, которые улучшают работу рецептора, делают ее более активной, а важно и другое, которое играет роль такого мягкого тормоза. Это все очень важно.

Рекомендуем по этой теме:
6375
Нейротоксины и рецепторы

И здесь опять-таки очень хорошо используются современные методы компьютерного моделирования, то есть методы in silico, поскольку имеется богатейшая база кристаллографических данных. Это позволяет, скажем, провести первый тест-скрининг in silico, прикинув на компьютере, будет ли это соединение взаимодействовать с рецептором или нет, отбираются самые потенциальные, они синтезируются, есть возможность проверить реальное взаимодействие. И дальше идет следующий заход, уже учитываются ошибки первого этапа и так далее. Это один из ярчайших примеров сочетания кристаллографических данных, часто получаемых в модельных соединениях — не на полном рецепторе, а на его фрагменте, на его домене, — и использования компьютерного моделирования с переносом этих данных, чтобы понять, как точно устроена топография, связывающая область истинного рецептора определенного подтипа, и лекарства должны быть сделаны именно под этот подтип.