Введение
Тип токсического лектина
Рицин (['/r//aɪ//s//ɪ//n/ RYsin) – это лектин (белок, связывающий углеводы) и высокопотентный токсин, производимый в семенах растения рицина обыкновенного (Ricinus communis). Средняя летальная доза (LD50) рицина для мышей составляет около 22 микрограммов на килограмм массы тела при внутрибрюшинном введении. Пероральное воздействие рицина значительно менее токсично. Предполагаемая летальная пероральная доза для человека составляет приблизительно один миллиграмм на килограмм массы тела. Рицин является токсиальбумином и был впервые описан Питером Германом Стиллмарком, основоположником лектинологии. Рицин химически схож с робином.
Биохимия
Рицин классифицируется как белок, инактивирующий рибосомы 2 типа (RIP). В то время как RIP типа 1 состоят из одной белковой цепи, обладающей каталитической активностью, RIP типа 2, также известные как голотоксины, состоят из двух различных белковых цепей, формирующих гетеродимерный комплекс. RIP типа 2 состоят из A-цепи, функционально эквивалентной RIP типа 1, ковалентно связанной одной дисульфидной связью с B-цепью, которая каталитически неактивна, но служит для опосредования транспорта комплекса белков A и B от поверхности клетки через везикулярные переносчики в просвет эндоплазматической сети (ЭР). И RIP типа 1, и RIP типа 2 функционально активны в отношении рибосом in vitro; однако цитотоксичность проявляют только RIP типа 2 благодаря лектиноподобным свойствам B-цепи. Для реализации функции инактивации рибосом дисульфидная связь рицина должна быть редуктивно разорвана.
Биосинтез
Рицин синтезируется в эндосперме семян клещевины. Прекурсор рицина состоит из 576 аминокислотных остатков и содержит сигнальный пептид (остатки 1–35), цепь рицина А (36–302), линкерный пептид (303–314) и цепь рицина В (315–576). N-концевая сигнальная последовательность доставляет препрополипептид в эндоплазматический ретикулум (ЭР), после чего сигнальный пептид отщепляется. В просвете ЭР прополипептид гликозилируется, а белковая дисульфидная изомераза катализирует образование дисульфидной связи между цистеинами 294 и 318. Прополипептид подвергается дальнейшей гликозилированию в аппарате Гольджи и транспортируется в белковые тельца. Внутри белковых телец прополипептид расщепляется эндопептидазой с образованием зрелого рицинового белка, состоящего из цепи А, содержащей 267 остатков, и цепи В, содержащей 262 остатка, ковалентно связанных одной дисульфидной связью. Он имеет три структурных домена, в которых примерно 50% полипептида организованы в альфа-спирали и бета-листы. Три домена формируют выраженную щель, являющуюся активным центром РТА. Цепь рицин-токсина B (RTB) – это лектин, состоящий из 262 аминокислот, способный связывать концевые остатки галактозы на поверхности клеток. RTB образует биламеллярную, бобовидную структуру, лишенную альфа-спиралей или бета-листов, где отдельные доли содержат три субдомена. По крайней мере, один из этих трех субдоменов в каждой гомологичной доле обладает карманом для связывания сахаров, что определяет функциональные характеристики RTB. В то время как другие растения содержат белковые цепи, входящие в состав рицина, для проявления токсического эффекта необходимо присутствие обеих белковых цепей. Например, растения, содержащие только цепь А, такие как ячмень, не являются токсичными, поскольку без связи с цепью В цепь А не может проникнуть в клетку и повредить рибосомы.
Вхождение в цитоплазму
Цепь рицина B связывает сложные углеводы на поверхности эукариотических клеток, содержащих либо терминальный N-ацетилгалактозамин, либо остатки галактозы, связанные β-1,4-гликозидной связью. Кроме того, маннозные гликоны рицина способны связываться с клетками, экспрессирующими рецепторы маннозы. Показано, что RTB связывается с поверхностью клеток в количестве от 10⁶ до 10⁸ молекул рицина на клетку. Интенсивное связывание рицина с поверхностными мембранами обеспечивает его интернализацию посредством всех типов мембранных инвагинаций. Голотоксин может поглощаться клатриновыми ямками, а также по клатрин-независимым путям, включая кавеолы и макропиноцитоз. Внутриклеточные везикулы транспортируют рицин в эндосомы, которые затем доставляются в аппарат Гольджи. Считается, что активное подкисление эндосом оказывает незначительное влияние на функциональные свойства рицина. Поскольку рицин стабилен в широком диапазоне pH, деградация в эндосомах или лизосомах обеспечивает мало или совсем никакой защиты от его действия. Предполагается, что молекулы рицина подвергаются ретроградному транспорту через ранние эндосомы, сеть транс-Гольджи и аппарат Гольджи, чтобы попасть в просвет эндоплазматической сети (ER). Для проявления цитотоксической активности рицина RTA должна быть редуктивно отщеплена от RTB, чтобы снять стерическое препятствие с активного центра RTA. Этот процесс катализируется белком PDI (белковая дисульфид-изомераза), который находится в просвете ER. Свободная RTA в просвете ER затем частично разворачивается и частично внедряется в мембрану ER, где, как полагают, имитирует неправильно свернутый мембранный белок. Предполагается участие ER-шаперонов GRP94, EDEM и BiP в процессе, предшествующем «дислокации» RTA из просвета ER в цитозоль, с использованием компонентов пути деградации белков, связанных с эндоплазматической сетью (ERAD). ERAD обычно удаляет неправильно свернутые белки ER в цитозоль для их разрушения цитозольными протеасомами. Дислокация RTA требует мембранных интегральных комплексов E3-убиквитин-лигазы ER, но RTA избегает убиквитинирования, которое обычно происходит с субстратами ERAD, из-за низкого содержания остатков лизина, являющихся обычными местами присоединения убиквитина. Таким образом, RTA избегает обычной судьбы дислоцированных белков (разрушения, опосредованного направлением убиквитинилированных белков к цитозольным протеасомам). В цитозоле клеток млекопитающих RTA затем подвергается сортировке цитозольными молекулярными шаперонами Hsc70 и Hsp90 и их ко-шаперонами, а также одной субъединицей (RPT5) самой протеасомы, что приводит к ее сворачиванию в каталитическую конформацию, которая депуринирует рибосомы, тем самым останавливая синтез белка.
Инективация рибосомы
RTA обладает активностью рРНК N-гликозилазы, которая отвечает за разрыв гликозидной связи в большой рРНК 60S-субъединицы эукариотических рибосом. RTA специфически и необратимо гидролизует N-гликозидную связь аденинового остатка в позиции 4324 (A4324) в 28S рРНК, не затрагивая фосфодиэстерный остов РНК. Рицин нацелен на A4324, который содержится в высококонсервативной последовательности из 12 нуклеотидов, повсеместно встречающейся в рибосомах эукариот. Эта последовательность, 5' AGUACGAGAGGA 3', известная как петля сарцин-рицин, играет важную роль в связывании факторов элонгации во время синтеза белка. Процесс депуринирования быстро и полностью инактивирует рибосому, приводя к токсичности из-за подавления синтеза белка. Одна молекула RTA в цитозоле способна депуринировать около 1500 рибосом в минуту.
Реакция депурирования
В активном центре RTA присутствуют несколько инвариантных аминокислотных остатков, участвующих в удалении пуриновых оснований из рибосомной РНК. Это препятствует способности клеток собирать различные аминокислоты в белки в соответствии с информацией, получаемой от мРНК, в процессе, осуществляемом рибосомой клетки (белкосинтезирующим аппаратом) – то есть на самом фундаментальном уровне клеточного метаболизма, необходимом для всех живых клеток и, следовательно, для жизни в целом. Рицин устойчив к перевариванию пептидазами, но не является к нему полностью невосприимчивым. При попадании внутрь организма патологические эффекты рицина в основном ограничиваются желудочно-кишечным трактом, где он может вызывать повреждения слизистой оболочки. При адекватном лечении большинство пациентов успешно выздоравливают.
Симптомы
Поскольку симптомы вызваны неспособностью организма вырабатывать белок, их проявление может занять от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от пути воздействия и дозы. При попадании внутрь желудочно-кишечные симптомы могут возникнуть в течение шести часов; однако эти симптомы не всегда становятся заметными. В течение двух-пяти дней после воздействия рицина проявляются его эффекты на центральную нервную систему, надпочечники, почки и печень. По состоянию на 2005 год, другой антидот, разработанный американскими военными, был признан безопасным и эффективным на лабораторных мышах, которым вводили кровь, богатую антителами, смешанную с рицином, и проводились некоторые испытания на людях. Моноклональные антитела изучаются как потенциальное средство лечения отравления рицином. Для лечения отравления рицином доступны симптоматическая и поддерживающая терапия. Существующие методы лечения направлены на минимизацию последствий отравления. Возможные методы лечения включают внутривенное введение жидкостей или электролитов, поддержание проходимости дыхательных путей, искусственную вентиляцию легких или применение лекарств для купирования судорог и низкого кровяного давления. Если рицин был проглочен недавно, можно промыть желудок, вызвав рвоту активированным углем или проведя желудочный лаваж. У выживших часто развиваются долгосрочные повреждения органов. Рицин вызывает тяжелую диарею и рвоту, и жертвы могут умереть от циркуляторного шока или отказа органов; при вдыхании рицин может вызвать смертельный отек легких или дыхательную недостаточность. Смерть обычно наступает в течение 3–5 дней после воздействия. В то время как жмых из кокоса, арахиса и иногда семян хлопка может использоваться в качестве корма для скота или удобрения, токсичность касторовых бобов исключает использование их жмыха в качестве корма, если рицин не был предварительно деактивирован автоклавированием. Известны случаи случайного употребления в пищу жмыха Ricinus communis, предназначенного для удобрения, приведшие к смертельному отравлению рицином у животных. Смерть от употребления семян касторовых бобов встречается редко, отчасти из-за их неперевариваемой оболочки и того, что часть рицина деактивируется в желудке. Мякоть восьми бобов считается опасной для взрослого человека. Раубер и Хёрд отмечают, что тщательное изучение случаев отравления в начале XX века показывает, что общественное и профессиональное представление о токсичности рицина "неточно отражает возможности современной медицинской помощи". Большинство случаев острого отравления у людей связаны с пероральным приемом касторовых бобов, 5–20 штук которых могут оказаться смертельными для взрослого человека. Проглатывание касторовых бобов редко приводит к летальному исходу, если бобы не тщательно пережеваны. Выживаемость при употреблении касторовых бобов составляет 98%. У пострадавших часто проявляются тошнота, диарея, учащенное сердцебиение, низкое кровяное давление и судороги, которые могут продолжаться до недели.
Терапевтические применения
Хотя в настоящее время не существует одобренных лекарственных средств на основе рицина, он обладает потенциалом для использования в лечении опухолей как "волшебная пуля" для уничтожения целевых клеток. Ученые обязаны регистрироваться в HHS для проведения исследований с использованием рицина. Однако исследователи, работающие с количеством рицина менее 1000 мг, освобождены от регулирования. В Соединенных Штатах рицин классифицируется как чрезвычайно опасное вещество в соответствии с разделом 302 Закона США о планировании действий в чрезвычайных ситуациях и праве населения на информацию (42 U.S.C. 11002) и подлежит строгим требованиям к отчетности для предприятий, производящих, хранящих или использующих его в значительных количествах.
История
Соединенные Штаты изучали рицин с точки зрения его военного потенциала во время Первой мировой войны. В то время рассматривалась возможность его применения либо в виде токсичной пыли, либо в качестве покрытия для пуль и осколков. Разработать концепцию пылевого облака в достаточной мере не удалось, а применение покрытых пуль/осколков нарушило бы Гаагскую конвенцию 1899 года (принятую в законодательстве США в 32 Stat. 1903), в частности, Приложение §2, Глава 1, Статья 23, которая гласит, что "особенно запрещается применение яда или отравленного оружия". Во время Второй мировой войны Соединенные Штаты и Канада изучали рицин для использования в кассетных бомбах. Несмотря на планы массового производства и несколько полевых испытаний с различными типами бомб, окончательный вывод заключался в том, что это было не более экономически выгодно, чем использование фосгена. Этот вывод основывался на сравнении готовых боеприпасов, а не на токсичности рицина (LCt50 ~10 мг/мин·м3). Рицин получил военный символ W, а позднее WA. Интерес к нему сохранялся непродолжительное время после Второй мировой войны, но вскоре угас, когда химический корпус армии США начал программу по разработке зарина в качестве оружия. Советский Союз располагал рицином, использовавшимся в военных целях. КГБ разработал оружие на основе рицина, которое применялось за пределами Советского блока, наиболее известным примером является убийство Маркова.
Контроль
Несмотря на чрезвычайную токсичность рицина и его пригодность для использования в качестве агента химической/биологической войны, ограничить его производство сложно. Растение касторовое, из которого получают рицин, является распространенным декоративным растением и может выращиваться в домашних условиях без специального ухода. В соответствии с Конвенцией о запрещении биологического оружия 1972 года и Конвенцией о запрещении химического оружия 1997 года, рицин включен в Список 1 контролируемых веществ. Тем не менее, ежегодно перерабатывается более 200 000 тонн касторовых бобов, и примерно 5% от общего объема превращается в отходы, содержащие незначительные концентрации не денатурированного рицинового токсина. Рицин на несколько порядков менее токсичен, чем ботулинический или столбнячный токсин, однако последние достать сложнее. По сравнению с ботулиническим токсином или сибирской язвой в качестве биологического или химического оружия, количество рицина, необходимое для достижения LD50 на обширной территории, значительно превышает количество, требуемое для сибирской язвы (тонны рицина против килограммов сибирской язвы). Рицин легко произвести, но он менее эффективен и вряд ли приведет к такому же числу жертв, как другие агенты.
События
Биофармацевтическая компания Soligenix, Inc. лицензировала антирициновую вакцину RiVax у Vitetta и др. из UT Southwestern. Вакцина была признана безопасной и иммуногенной на мышах, кроликах и людях. Было успешно завершено два клинических испытания. Soligenix получила патент США на RiVax. Кандидат в вакцины против рицина получил статус лекарственного средства-сироты в США и Европейском экономическом сообществе и, по состоянию на 2019 год, находился в стадии клинических испытаний в США. Разработка кандидата в вакцины была поддержана грантами Национального института аллергии и инфекционных заболеваний и Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.
Синтез
Первая изоляция рицина приписывается балтийскому немецкому микробиологу Петеру Герману Стиллмарку (1860–1923) в 1888 году.
Террористическое использование
Рицин фигурировал в ряде реальных или запланированных нападений на людей. В 1978 году болгарский диссидент Георгий Марков был убит болгарской секретной полицией, которая тайно застрелила его на улице в Лондоне с помощью модифицированного зонта, использовавшего сжатый газ для выстрела крошечной гранулой, содержащей рицин, в его ногу. Он умер в больнице через несколько дней; его тело было передано в специальное подразделение по отравляющим веществам британского Министерства обороны, где при вскрытии обнаружили гранулу. Основными подозреваемыми были сотрудники болгарской секретной полиции: Георгий Марков дезертировал из Болгарии несколько лет назад и впоследствии написал книги и сделал радиопередачи, резко критиковавшие болгарский коммунистический режим. Однако в то время считалось, что Болгария не могла бы произвести гранулу, и предполагалось, что КГБ ее предоставил. КГБ отрицал свою причастность, хотя позже высокопоставленные перебежчики из КГБ Олег Калугин и Олег Гордиевский подтвердили участие КГБ. Советский диссидент Александр Солженицын испытывал симптомы, сходные с рициновыми, после встречи в 1971 году с агентами КГБ, но выжил. За десять дней до нападения на Георгия Маркова другой болгарский перебежчик, Владимир Костов, пережил похожее нападение. Костов стоял на эскалаторе в парижском метро, когда почувствовал укол в пояснице, выше пояса брюк. У него поднялась температура, но он выздоровел. После смерти Маркова рана на спине Костова была осмотрена, и оттуда извлекли гранулу с рицином, идентичную той, что использовалась против Маркова. Имелись случаи отправки яда по почте американским политикам. Например, 29 мая 2013 года два анонимных письма, отправленных мэру Нью-Йорка Майклу Блумбергу, содержали его следы. Еще одно письмо было отправлено в офис организации "Мэры против незаконного оружия" в Вашингтоне. Актриса Шэннон Ричардсон позже была обвинена в этом преступлении и признала себя виновной в декабре; ее приговорили к 18 годам тюрьмы и штрафу в размере 367 000 долларов США. 2 октября 2018 года в Пентагон были отправлены два подозрительных письма с рицином, одно адресовано министру обороны Джеймсу Мэттису, а другое – начальнику военно-морских операций адмиралу Джону Ричардсону. 23 июля 2019 года в тюрьме штата Пеликан-Бэй в Калифорнии было получено письмо с заявлением о содержании подозрительного вещества. Власти позже подтвердили наличие рицина, но не выявили признаков вредного воздействия. В 2020 году некоторые СМИ в Чешской Республике, ссылаясь на разведывательную информацию, сообщили о прибытии в Прагу человека с российским дипломатическим паспортом и рицином с намерением убить трех политиков. Президент России Владимир Путин опроверг эти сообщения. Сообщалось, что целью были Зденек Гржиб, мэр Праги (столица Чехии), участвовавший в переименовании площади "Под Каштанами", где расположено российское посольство, в площадь Бориса Немцова, оппозиционного политика, убитого в Кремле в 2015 году; Ондржей Коларж, мэр 6-го муниципального округа Праги, участвовавший в демонтаже спорного памятника маршалу Коневу советской эпохи; и Павел Новотный, мэр юго-западного района Праги Ржепорье. Всем им была предоставлена полицейская охрана. Президент Чехии Милош Земан позже назвал полицейскую охрану Зденека Гржиба попыткой малоизвестного политика привлечь внимание. Земан также смешал рицин с нетоксичным слабительным – касторовым маслом. В 2018 и 2023 годах немецкая полиция предотвратила попытки нападений, совершенных сторонниками исламистской террористической организации Даеш (также известной как Исламское государство, ИГ), после получения информации, предположительно от ФБР США.
В популярной культуре
Рицин использовался в качестве сюжетного приема, например, в телесериале «Во все тяжкие». Популярность сериала «Во все тяжкие» вдохновила на несколько реальных уголовных дел, связанных с рицином или подобными веществами. Кунтал Патель из Лондона пыталась отравить свою мать абрином после того, как та помешала ее планам относительно брака. Дэниел Милцман, 19-летний бывший студент Джорджтаунского университета, был обвинен в изготовлении рицина в своей комнате в общежитии, а также в намерении «использовать рицин против другого студента, с которым он состоял в отношениях». Мохаммед Али из Ливерпуля, Англия, был осужден за попытку приобрести 500 мг рицина через даркнет у агента ФБР под прикрытием. 18 сентября 2015 года он был приговорен к восьми годам лишения свободы. В романе Агаты Кристи «Партнеры по преступлению» рицин использовался в качестве сюжетного приема. В финальном сезоне «Уокера, техасского рейнджера» Эмиль Лавокат использовал рицин, чтобы убить лучшего друга и бывшего партнера главного героя, Си. Ди. Паркера, в отместку за то, что рейнджеры сорвали его преступную группировку и заключили под стражу его лейтенантов. Хотя смерть была замаскирована под сердечный приступ в конце эпизода «Мстительный ангел», правда о смерти Си. Ди. раскрывается в финале «The Final Show/Down», когда Уокер и Тривет эксгумируют его тело и проводят вскрытие. В фильме 2013 года «Добрая мать» мать вводит и подмешивает рицин своим дочерям в случае синдрома Мюнхгаузена по доверенности; ее арестовывают после смерти одной из дочерей. В фильме 2014 года «Интервью» трансдермальный пластырь с рицином используется в операции ЦРУ по устранению северокорейского диктатора Ким Чен Ына через рукопожатие.