Введение
Фаллоидин относится к классу токсинов, называемых фаллотоксинами, которые содержатся в грибе бледной поганке (Amanita phalloides). Это жесткий бициклический гептапептид, смертельный при введении в кровоток через несколько дней. Основной симптом отравления фаллоидином – резкий голод, вызванный разрушением клеток печени. Он действует, связываясь и стабилизируя филаментарный актин (F-актин) и эффективно предотвращая деполимеризацию актиновых волокон. Благодаря своей плотной и селективной связи с F-актином, производные фаллоидина, содержащие флуоресцентные метки, широко используются в микроскопии для визуализации F-актина в биомедицинских исследованиях.
Открытие и предыстория
Фаллоидин был одним из первых открытых циклических пептидов. Он был выделен из гриба бледной поганки и кристаллизован Феодором Линеном и Ульрихом Виландом в 1937 году. Его структура необычна тем, что содержит связь цистеина с триптофаном, формирующую бициклический гептапептид. Эта связь ранее не была описана и значительно усложняет установление структуры фаллоидина. Присутствие атома серы они определили с помощью УФ-спектроскопии и обнаружили, что эта кольцевая структура имеет незначительное смещение длины волны. Эксперименты с никелем Рэйни подтвердили наличие серы в триптофановом кольце. Исследователи выяснили, что десульфурированный фаллоидин сохраняет циклическую структуру, что свидетельствует о том, что структура фаллоидина обычно бициклична. После линеаризации аминокислотная последовательность десульфурированного фаллоидина была установлена методом деградации Эдмана Виландом и Шеном в 1955 году. Благодаря высокому сродству к актину, ученые обнаружили его потенциальное применение в качестве окрашивающего реагента для эффективной визуализации актина в микроскопии. Производные, конъюгированные с флуорофорами, широко доступны в продаже. Благодаря способности избирательно связывать филаментозный актин (F-актин), а не мономеры актина (G-актин), флуоресцентно меченый фаллоидин эффективнее антител к актину.
Биосинтез
Фаллоидин представляет собой бициклический гептапептид, содержащий необычную связь цистеина и триптофана. Ген, кодирующий синтез фаллоидина, входит в состав семейства MSDIN у гриба бледная поганка и кодирует пропептид из 34 аминокислот. Пролиновый остаток обрамляет семиаминокислотную область, которая впоследствии станет фаллоидином. После трансляции пептид должен быть протеолитически отщеплен, циклизован, гидроксилирован, сшит по Trp-Cys с образованием триптатионина и эпимеризован с образованием D-Thr. Порядок и точный биохимический механизм этих этапов пока не полностью выяснены. В настоящее время предполагается, что необходимые биосинтетические гены сгруппированы вблизи генов MSDIN. Первой посттрансляционной модификацией 34-мера является протеолитическое расщепление с помощью пролил-олигопептидазы (POP) для удаления 10-аминокислотного "лидерного" пептида. Затем POP циклизует гептапептид Ala-Trp-Leu-Ala-Thr-Cys-Pro посредством транспептидации между аминокислотой 1 (Ala) и аминокислотой 7 (Pro). Считается, что образование триптатионина посредством сшивания Trp-Cys происходит следующим. THPP обозначает тетрагидропираниловый полистирольный линкер, который используется для соединения молекулы с твердой фазой во время синтеза. Следует отметить, что представленный ниже синтез является лишь общей схемой, демонстрирующей порядок образования связей для соединения исходных материалов. Ala7-фаллоидин, а также многие другие подобные варианты фаллоидина полезны для повышения клеточного поглощения по сравнению с фаллоидином и для присоединения флюорофора, облегчающего визуализацию F-актина в микроскопии. Первый полный синтез фаллоидина был осуществлен путем комбинации твердофазного и жидкофазного синтеза (Баошенг Лю и Цзяньхен Чжан, патент США US 8,569,452 B2). Физические и химические свойства синтетического фаллоидина идентичны свойствам природного фаллоидина.
Механизм действия
Фаллоидин связывается с F-актином, предотвращая его деполимеризацию и вызывая отравление клетки. Фаллоидин специфически связывается на границе между подединицами F-актина, фиксируя соседние подединицы вместе. Фаллоидин, бициклический гептапептид, связывается с актиновыми нитями гораздо прочнее, чем с актиновыми мономерами, что приводит к снижению константы скорости диссоциации подединиц актина от концов нитей, тем самым стабилизируя актиновые нити за счет предотвращения деполимеризации. Более того, было обнаружено, что фаллоидин ингибирует АТФ-азу активность F-актина. Таким образом, фаллоидин фиксирует мономеры актина в конформации, отличной от G-актина, и стабилизирует структуру F-актина, значительно снижая константу скорости диссоциации мономера – процесс, связанный с удержанием АДФ. Фаллоидин проявляет различную активность в клетках в зависимости от концентрации. При введении в цитоплазму в низких концентрациях фаллоидин рекрутирует менее полимеризованные формы цитоплазматического актина, а также филамин, в стабильные "острова" агрегированных полимеров актина, однако не нарушает структуру стресс-волокон, то есть толстых пучков микрофиламентов. Попав в печень, фаллоидин связывается с F-актином, предотвращая его деполимеризацию. Для разрушения клеток печени этот процесс требует времени. Почки также способны поглощать фаллоидин, но менее эффективно, чем печень. В почках фаллоидин вызывает нефроз.
Использование в качестве инструмента визуализации
Благодаря свойствам фаллоидина, он представляет собой полезный инструмент для изучения распределения F-актина в клетках путем маркировки фаллоидина флуоресцентными аналогами и их использования для окрашивания актиновых филаментов для световой микроскопии. Флуоресцентные производные фаллоидина оказались чрезвычайно полезными для локализации актиновых филаментов в живых или фиксированных клетках, а также для визуализации отдельных актиновых филаментов in vitro. В этом методе, известном как флуоресцентное фотоокисление, флуоресцентные молекулы могут быть использованы для инициирования окисления диаминобензидина (DAB) с образованием продукта реакции, который можно сделать электронно-плотным и обнаружимым с помощью электронной микроскопии. Количество визуализированной флуоресценции может служить количественной мерой количества филаментозного актина в клетках при использовании насыщающих количеств флуоресцентного фаллоидина. Следовательно, иммунофлуоресцентная микроскопия в сочетании с микроинъекцией фаллоидина может быть использована для оценки прямых и косвенных функций цитоплазматического актина на различных стадиях полимеризации. Таким образом, флуоресцентный фаллоидин может быть использован в качестве важного инструмента в изучении актиновых сетей с высоким разрешением.
Использование и ограничения
Фаллоидин значительно меньше антитела, которое обычно используется для мечения клеточных белков в флуоресцентной микроскопии, что обеспечивает более плотное мечение филаментозного актина и позволяет получать более детальные изображения, особенно при высоком разрешении. Немодифицированные фаллоидины не проникают через клеточные мембраны, что снижает их эффективность в экспериментах с живыми клетками. Были синтезированы производные фаллоидина с существенно повышенной проницаемостью для клеток. Клетки, обработанные фаллоидином, проявляют ряд токсических эффектов и часто погибают. Важно также отметить, что в клетках, обработанных фаллоидином, наблюдается повышенный уровень актина, связанного с их плазматическими мембранами, а микроинъекция фаллоидина в живые клетки изменяет распределение актина и подвижность клеток.