カルシセプチン
神経毒
カルシセプチン
カルシセプチンの3D構造モデル。ホモログFS2（PDB : 1TFS）のNMR構造に基づいています。ジスルフィド結合は黄色で示しています。FS2とカルシセプチンで異なる3つの残基は赤色で示しています。
識別子
生物デンドロアスピス・ポリレピス・ポリレピス
シンボルカルシウム
ユニプロットP22947
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構造スイスモデル
ドメインインタープロ

カルシセプチン（CaS ）は、ブラックマンバ（Dendroaspis p. polylepis）の毒から単離された天然の神経毒です。この毒素は、4つのジスルフィド結合を持つ60個のアミノ酸で構成されています。カルシセプチンはL型カルシウムチャネルを特異的に阻害しますが、N型チャネルやT型チャネルなどの他の電位依存性Ca 2+チャネルは阻害しません。[1]

歴史

ブラックマンバ（Dendroaspis polylepis）は、地球上で最も危険なヘビの一つと一般的に考えられており[2] [3] 、サハラ以南のアフリカの生息域全体で多くの死者を出しています。治療を受けない場合、ブラックマンバに噛まれると死亡率は100%に達します[4] 。

ブラックマンバの毒は28種類以上のペプチドから構成されています。そのうちの1つがカルシセプチンで、毒液の2.8%を占めています。このペプチドは精製当初はタンパク質E3と呼ばれていましたが、後にWeilleらによってカルシセプチンに改名されました[1] [4]。

重要性

カルシセプチンはL型電位依存性Ca 2+チャネルを特異的に阻害することが示されており、この特性を持つ最初の天然ポリペプチドとして発見されました。電位感受性チャネルの特異的ポリペプチド阻害剤は研究において重要なツールであり、電位感受性Na +チャネル、電位感受性およびCa 2+活性化K +チャネル、そしてN型Ca 2+チャネルについては既に知られていました。[1]

カルシセプチンの配列が決定され、特異的なL型カルシウムチャネル阻害剤であることが明らかになるまでは、このタイプの電位依存性チャネルに特異的なポリペプチド阻害剤は知られていませんでした。L型チャネルの特異的遮断薬は、1,4-ジヒドロピリジンのような小さな有機分子でした。ポリペプチド阻害剤はヘビ毒に含まれることが示唆されていました。カルシセプチンはL型チャネルを特異的に遮断するだけでなく、1,4-ジヒドロピリジンと全く同じ部位で遮断することが示されたため、このことが裏付けられました。[5]カルシセプチンの後に、FS2、C10S2C2、S4C8といったL型チャネルを特異的に遮断する他のポリペプチドも発見されました。[1]

単離/合成

カルシセプチンはブラックマンバにのみ存在し、粗毒から精製することができます[1] 。ヘビの毒液は搾乳することで採取できます。シュバイツらは、カルシセプチンを相同性まで精製するために3段階法を用いました。その3段階とは、1) ゲルろ過、2) TSK SP 5PWを用いたイオン交換、3) RP18を用いた逆相クロマトグラフィーです[4] 。

科学者たちは、カルシセプチンの実験室での合成にも成功しました。ブラックマンバの毒のもう一つの成分であり、カルシセプチンの相同性を持つFS2も、実験室で合成可能です。[6]

構造

3本指毒素フ​​ァミリー

カルシセプチンは、ヘビ毒に含まれる毒性ペプチドファミリーの一員です。このファミリーに属するタンパク質は小さく、58～74個のアミノ酸で構成されています。これらはすべて、8個のシステイン残基の間に4つのジスルフィド結合が形成されることで生じる、同じ3本指構造を有しています。[7]

これらの毒素は、同じファミリーに属しているにもかかわらず、その作用は実際には非常に多様であり、アセチルコリン受容体の阻害から膜透過性の変化まで多岐にわたります。共通の特徴は、いずれも何らかの形でシグナル伝達に影響を及ぼすことです。[7]

シーケンスと構造

カルシセプチン自体は60個のアミノ酸から構成されており、その配列は完全に解読されている。[8]

RICYIHKASL PRATKTCVEN TCYKMFIRTQ REYISERGCG CPTAMWPYQT ECCKGDRCNK

カルシセプチンの三次元構造は実験的に決定されていない。しかし、ブラックマンバ毒に含まれる別の毒素であるFS2は、カルシセプチンとは3つの残基のみが配列的に異なる。5番目のイソロイシンの代わりにセリン、30番目のグルタミンの代わりにヒスチジン、32番目のグルタミン酸の代わりにグルタミンを含む。[1] FS2の三次元構造はNMRを用いて決定されており、配列上のわずかな違いから、カルシセプチンの構造モデルとして利用できる。[9]

毒物動態

吸収と分配

カルシセプチンはヘビによって他の毒液とともに獲物に注入されるため、皮膚の保護バリアを通過する必要がなく、獲物の組織や血流に直接注入されます。カルシセプチンの毒物動態に関する具体的な研究は行われていませんが、ヘビ毒の動態に関する一般的な研究は存在します。毒性ペプチドは一般的に小さく（約60アミノ酸）、血液脳関門などの上皮層を通過するのを防ぐのに十分な大きさです。[10]

いくつかのヘビ毒について、バイオアベイラビリティの測定が行われています。例えば、コブラ毒は筋肉内注射した場合、バイオアベイラビリティが41.7%であることが分かっています。他の毒では、10%未満になる場合もあります。これらの値は、筋肉内注射後のバイオアベイラビリティが通常ほぼ100%であるほとんどの治療薬と比較すると非常に低いものです。[11] 一般的に、10～40個のアミノ酸からなる毒性ペプチドは、その大きさと親水性のために、バイオアベイラビリティが比較的低いことが分かっています。[10]そのため、60個のアミノ酸を含むカルシセプチンのバイオアベイラビリティも低いことが予想されます。

代謝

カルシセプチンはペプチドであるため、理論的には注入された組織のプロテアーゼによって分解される可能性があります。ヘビ毒ペプチドは獲物の組織内でプロテアーゼによって分解されることが分かっていますが、毒素の相対的な安定性、作用速度、そして注入された毒の量を考えると、ヘビの咬傷による影響から身を守るには不十分です。免疫系についても同様です。より大きな毒ペプチドは免疫系に捕捉されにくいものの、免疫反応は毒の影響を打ち消すほど速くはありません。[10] [12]

前述のように、カルシセプチンは毒素によく見られる3本指構造をしています。多くの毒素がこの構造を有していますが、その機能は多岐にわたります。この構造が広く保存されている理由は、おそらくその安定性にあります。システイン架橋が安定したコアを形成し、プロテアーゼによるタンパク質の分解を遅らせていると考えられます。[10]

作用機序

カルシセプチンはL型カルシウムチャネルを遮断し、平滑筋の収縮と心臓機能を阻害することが示されている。[1]

電圧活性化カルシウムチャネル

電圧依存性カルシウムチャネルは、ニューロンや心筋細胞、平滑筋細胞などの興奮性細胞における電気信号の生成に重要な役割を果たします。N型Ca 2+チャネルはニューロン細胞に存在し、神経興奮と神経伝達物質分泌の連携において重要な役割を果たします。L型カルシウムチャネルは心筋細胞と平滑筋細胞に存在し、興奮と筋収縮を連携させます。その他の電圧活性化Ca 2+チャネルには、T型チャネルとP型チャネルがあります。[1]

L型カルシウムチャネルの遮断

筋収縮には細胞質中のカルシウムの存在が不可欠であるため、カルシウムチャネル遮断薬は筋肉の緊張を阻害します。心筋と平滑筋に存在するL型カルシウムチャネル遮断薬は、平滑筋弛緩薬および心収縮抑制薬として作用します。[1] L型カルシウムチャネル遮断薬として一般的に用いられるのは1,4-ジヒドロピリジンで、心血管疾患の治療に用いられます。これらの薬剤は弛緩作用を有するため、血管周囲の平滑筋を弛緩させ、血管を拡張させて血圧を低下させます。[1] [7] [13]

L型カルシウムチャネル遮断薬としてのカルシセプチン

カルシセプチンは、平滑筋と心筋のL型カルシウムチャネルに結合して遮断する能力と同様に、その生物学的作用において前述の1,4-ジヒドロピリジンに類似している。 [1]

L 型カルシウムチャネルに結合して遮断するアミノ酸は、カルシセプチン構造の 3 番目の「フィンガー」、つまりアミノ酸 40 と 50 の間のどこかに位置していると考えられます。3 フィンガー ファミリーのペプチドは構造が似ていますが、カルシウム チャネルに結合して遮断できるのはそのうちのいくつかだけです。多重配列アライメント研究により、チャネル遮断活性を持つ毒素に特有の 12 個のアミノ酸残基が得られました。これらの残基は、3 フィンガー構造のループ II と III の先端に位置しています。FS2 毒素のアミノ酸 45 から 48、MWPY がカルシウム チャネルに結合すると考えられるモデルが提唱されています。このモデルは、これらのアミノ酸とカルシウム チャネルとの相互作用の予測に基づいています。これらの相互作用は、既知の 1,4-ジヒドロピリジン遮断薬であるニフェジピンの疎水性および水素結合特性に似ています。 [7] カルシセプチンとFS2の類似性により、このモデルはカルシセプチンとL型カルシウムチャネルとの相互作用も説明できる可能性がある。

もう一つのモデルは、同じループのより大きなセグメント、すなわちアミノ酸42～47番を含むPTAMWPに基づいています。タンパク質間相互作用部位はプロリンに挟まれていることが多いため[14] 、この構造の「フィンガー」に2つのプロリンが存在することは、相互作用部位の可能性を示唆しています。この配列を含む8アミノ酸残基からなる短いポリペプチドは、L型カルシウムチャネルを阻害することが実際に確認されていますが、その活性はより弱いものでした[15] 。

これらの相互作用アミノ酸は、他の2つのL型カルシウムチャネル阻害タンパク質、C10S2C2とS4C8にも見られます。これらの毒素はどちらも3本指構造のファミリーに属しますが、3本指構造はチャネル阻害の必須条件ではないと考えられます。デンドロトキシンを含む他のヘビ毒は、様々なチャネルに同様の作用を及ぼしますが、3本指構造を示しません。[7] [15]

適応症/症状

ブラックマンバに噛まれた後に現れる典型的な症状には、急激なめまい、眠気、咳、呼吸困難などがあります。その他の症状としては、痙攣、神経筋症状、ショック、意識喪失、低血圧、運動失調、過剰な流涎、四肢麻痺、吐き気と嘔吐、発熱、激しい腹痛などが挙げられます。治療せずに放置すると、四肢麻痺が永久に残る可能性が非常に高くなります。最も重篤なケースでは、ブラックマンバに噛まれた場合、呼吸筋麻痺により窒息死に至る可能性があります。[16]

これらの症状はすべて、ブラックマンバの粗毒に含まれる様々な毒性ペプチドの組み合わせによるものです。これらの症状はカルシセプチンと関連しており、カルシセプチンには平滑筋弛緩剤としての作用もあるため[1]、呼吸困難、四肢麻痺、さらには窒息死に至る早期の症状を説明できます。カルシセプチンには降圧作用があることが知られています[17] 。 異なる毒素の組み合わせによって様々な影響が生じる可能性があるため、どのペプチドがどの症状に最も関与しているかを明確に特定することはできません。

解毒剤

ブラックマンバに噛まれた場合、被害者は標準的な治療法に従って治療を受けるべきです。この治療で最も重要なのは、多価抗毒素の静脈内注射です。この抗毒素は南アフリカワクチン製造会社が製造しています。多価とは、クサリヘビ、マンバ、コブラなど、様々なヘビの咬傷に使用できることを意味します。[18]毒の影響を打ち消すには、大量の抗毒素を注射する必要があります。

多価抗毒素は、馬に適応させた毒を注射することで製造されます。馬毒は、過度の損傷や死亡を防ぐために、まず解毒されます。これは主に、ホルマリンなどのアルデヒドと毒を複合させることで行われます。また、免疫反応を刺激するために、水酸化アルミニウムやアルギン酸ナトリウムなどのアジュバントも投与されます。毒が注射されると、体内で抗体が生成されます。抗体は毒の成分（ペプチドの多様性）に結合し、分子のさらなる活性を阻害し、最終的には体の免疫系によって除去されます。これらの抗体は血液から採取・精製され、主に液体の形で包装されます。馬が使用されるのは、血液量が多いためです。最終的な抗毒素製品は5年で使用期限が切れるため、4～8℃の冷暗所で保管する必要があります。しかし、数週間から数ヶ月は様々な環境下でも効力を失うことなく生存することができます。[19]

様々なヘビの毒を長期間にわたって注入することで、馬は全ての毒に対して異なる抗体を生成します。これにより、抗毒素は多価性を有し、抗毒素の効力も高まります。毒によっては、単独では免疫系を十分に誘導できないものや、2種類以上の毒を組み合わせることでより効果的な抗毒素が得られるものがあります。[19]

毒性

致死性

カルシセプチンは低用量でも毒性があります。ヒトにおけるカルシセプチンの毒性に関する具体的なデータは存在しません。しかし、マウスにおけるLD50値は決定されており、以下の表に記載されています。[20]

投与方法 LD 50値
静脈注射 0.25 mg/kg
皮下注射 0.38 mg/kg
腹腔内注射 0.94 mg/kg

毒の毒性

ブラックマンバは一噛みで100～120mgの毒を注入することができます。LD50値と注入できる毒の量を比較すると、一噛みで致死量に達します。人間の場合、10～15mgで致死量に達します。[21]

その他のデータ

カルシセプチンはK +誘発収縮およびL型Ca 2+チャネル活性に作用し、IC 50値はそれぞれ230 nMおよび430 nMと測定された。カルシセプチンは心機能にも作用する。この組織におけるIC 50値は15 nMであった。これらの値はラットおよびマウスで測定された。[1]

相乗毒性

マンバ毒に含まれる3本指の毒素の中には、互いに相乗的に作用するものがあることが判明している。これらの相互作用の分子メカニズムは未だ解明されていない。 [22]カルシセプチンが他の毒成分と相乗効果を持つかどうかも不明である。

動物への影響

カルシセプチンは、様々な動物種、特にラットにおいて生体内および試験管内で試験されています。カルシセプチンは、収縮したラットの胸部大動脈を弛緩させ、血圧を大幅に低下させます。[17]

血圧の低下には、短期的影響と長期的影響が組み合わさって現れます。初期の急性作用発現には 5 分かかりましたが、その影響は 120 分以上持続することもあります。また、カルシセプチンは心拍リズムにほとんど影響を与えず、わずかに変化させるだけでした。さらに、カルシセプチンは肺の気管輪を弛緩させることもあります。これらの影響は、カルシセプチンの様々な平滑筋細胞に対する弛緩作用によって説明できます。[1]カルシセプチンの阻害作用により、これらの細胞の電気活動が減少または完全に消失します。全体的な阻害作用は組織によって異なり、心血管系が最も脆弱ですが、神経細胞はそれほど脆弱ではなく、骨格筋細胞は完全に抵抗性を示します。この組織感受性の違いは、これらの組織の L 型カルシウムチャネルのわずかな違いによって生じると考えられます。[1]これらの影響は、0.1 μM から 1 μM の低用量のカルシセプチンで発生する可能性があります。マウスの筋管において、カルシセプチン（1μM）中でのインキュベーション後、Ca 2+電流の振幅が増大する。カルシセプチンのCa 2+電流に対するこの効果は比較的速く発現する。カルシセプチンはマウスの筋管におけるCa 2+電流の反転電位を変化させる。 [23]成体カエル骨格筋線維においても、カルシセプチンはCa 2+ 電流の増加を引き起こす。この増加は、マウスの筋管で認められた増加と同等である。マウスの筋管とは対照的に、カルシセプチンはCa 2+電流の反転電位を変化させなかった。カルシセプチンを投与したラットの筋線維では、単収縮張力にわずかな変化が認められ、このペプチドは筋収縮にほとんど影響を与えなかったことがわかる。カルシセプチンはカエルの筋線維にもほとんど影響を与えなかった。[23]

カルシセプチンは、強直性麻痺を引き起こす一連の反復刺激中に、わずかな効果を示します。カルシセプチンは強直性麻痺の張力を増加させました。カルシセプチンは投与後の平均強直性麻痺張力は対照群よりもわずかに高くなりました。カルシセプチンは電荷移動とL型チャネルを介したCa2 +の流入を増加させますが、強直性麻痺においても筋収縮に大きな影響はありません。[23]

ラットとモルモットの研究では、合成カルシセプチンとFS2も天然の化合物と同様の効果があることが明らかになりました。[17]

参考文献

  1. ^ abcdefghijklmno De Weille JR, Schweitz H., Maes P., Tartar A.,​​ Lazdunski M. (1991). 「ブラックマンバ毒から単離されたペプチドであるカルシセプチンは、L型カルシウムチャネルの特異的遮断薬である」Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 88 (6): 2437– 2440. Bibcode :1991PNAS...88.2437D. doi : 10.1073/pnas.88.6.2437 . PMC  51247 . PMID  1848702.{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  2. ^ 海軍医療局（2013年）『世界の毒蛇：米水陸両用部隊向けマニュアル』スカイホース出版、93ページ。ISBN 978-1-62087-623-7。
  3. ^ Haji, R. 「毒ヘビとヘビ咬傷」（PDF） . Zoocheck Canada Inc. 2012年4月25日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2011年12月2日閲覧。
  4. ^ abc Schweitz H, Bidard JN, Lazdunski M (1990). 「ブラックマンバ（Dendroaspis Polylepis）毒からのペプチド毒素の精製と薬理学的特性評価」. Toxicon . 28 (7): 847– 856. Bibcode :1990Txcn...28..847S. doi :10.1016/s0041-0101(09)80007-x. PMID  1977212.
  5. ^ Yasuda O, Morimoto S, et al. (1993). 「ラットシナプトソーム膜のL型カルシウムチャネルの1,4-ジヒドロピリジン認識部位へのカルシセプチンの結合」.生化学および生物理学的研究通信. 194 (2): 587– 594. Bibcode :1993BBRC..194..587Y. doi :10.1006/bbrc.1993.1862. PMID  8393668.
  6. ^ 黒田 浩; 他 (1992). 「L型特異的カルシウムチャネル遮断薬カルシセプチンの溶液合成」. Pept. Res . 5 (5): 265– 268. PMID  1450521.
  7. ^ abcde Schleifer, K. (1997). 「カルシウムチャネル遮断薬ニフェジピンとブラックマンバ毒素FS2の比較分子モデリング研究」. Journal of Computer-Aided Molecular Design . 11 (5): 491– 501. Bibcode :1997JCAMD..11..491S. doi :10.1023/a:1007974124426. PMID  9385552. S2CID  5334453.
  8. ^ 「Uniprot KB」 . 2013年4月3日閲覧。
  9. ^ Albrand, JP; et al. (1995). 「ブラックマンバ毒から単離されたL型カルシウムチャネル特異的遮断薬である毒素FS2の3次元溶液構造に関するNMRおよび拘束分子動力学法による研究」.生化学. 34 (17): 5923– 5937. doi :10.1021/bi00017a022. PMID  7727450.
  10. ^ abcd Lewis, RJ; Garcia, ML (2003). 「毒ペプチドの治療的可能性」. Nature Reviews Drug Discovery . 2 (10): 790– 802. doi : 10.1038/nrd1197 . PMID  14526382.
  11. ^ Yap, MKK; et al. (2013). 「ウサギへのNaja sputatrix（ジャワコブラ）毒の筋肉内および静脈内投与後の毒性動態」Toxicon . 68 : 18–23 . Bibcode :2013Txcn...68...18Y. doi :10.1016/j.toxicon.2013.02.017. PMID  23537711.
  12. ^ Bottrall, JL; et al. (2010). 「コブラ科およびクサリヘビ科のヘビ毒のタンパク質分解活性と消化への影響」. J Venom Res . 1 : 18–28 . PMC 3086185. PMID  21544178 . 
  13. ^ Varon, J.; Marik, PE (2003). 「臨床レビュー：高血圧クリーゼの管理」. Crit. Care . 7 (5): 374– 384. doi : 10.1186/cc2351 . PMC 270718. PMID 12974970  . 
  14. ^ Kini, RM (1998). 「プロリン括弧とタンパク質の潜在的機能部位の同定：毒素から治療薬へ」. Toxicon . 36 (11): 1659– 1670. Bibcode :1998Txcn...36.1659K. doi :10.1016/s0041-0101(98)00159-7. PMID  9792183.
  15. ^ ab Kini, RM; et al. (1998). 「隣接するプロリン残基がカルシセプチンおよびFS2のL型Ca2+チャネル結合部位を同定する」.生化学. 37 (25): 9058– 9063. doi :10.1021/bi9802723. PMID  9636051.
  16. ^ “Immediate first aid”. 2012年11月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年3月27日閲覧。
  17. ^ abc 渡辺 徹; 他 (1995). 「合成カルシセプチンおよび相同ヘビ毒ペプチドFS2の平滑筋弛緩作用および低血圧作用」. Jpn. J. Pharmacol . 68 (3): 305– 313. doi : 10.1254/jjp.68.305 . PMID  7474554.
  18. ^ “African Reptiles & Venom”. 2013年5月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年4月3日閲覧。
  19. ^ ab Chippaux, JP; Goyffon, M. (1998). 「毒素、抗毒素、そして免疫療法」. Toxicon . 36 (6): 823– 846. Bibcode :1998Txcn...36..823C. doi :10.1016/s0041-0101(97)00160-8. PMID  9663690.
  20. ^ 「毒素および毒素ターゲットデータベース」 。 2013年4月3日閲覧。
  21. ^ ブランチ、ウィリアム・R. (1998). 『南アフリカのヘビとその他の爬虫類のフィールドガイド』ケープタウン：Struik Publishers.
  22. ^ Kini, RM; Doley, R. (2010). 「3フィンガー毒素の構造、機能、進化：多様な標的を持つミニタンパク質」. Toxicon . 56 (6): 855– 867. Bibcode :2010Txcn...56..855K. doi :10.1016/j.toxicon.2010.07.010. PMID  20670641.
  23. ^ abc Garcia, MC; et al. (2001). 「Ca2+チャネルブロッカーであるカルシセプチンは、カエルおよび哺乳類の骨格筋におけるL型Ca2 +電流に対してアゴニスト作用を示す」. J. Membrane Biol . 184 (2): 121– 129. doi :10.1007/s00232-001-0080-7. PMID  11719849. S2CID  9016897.
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