Las toxinas de tres dedos (abreviadas 3FTx ) son una superfamilia de proteínas de toxinas pequeñas que se encuentran en el veneno de las serpientes . Las toxinas de tres dedos son a su vez miembros de una superfamilia más grande de dominios de proteínas de tres dedos que incluye proteínas no tóxicas que comparten un pliegue proteico similar . El grupo recibe su nombre por su estructura común que consiste en tres bucles de cadena beta conectados a un núcleo central que contiene cuatro enlaces disulfuro conservados . El dominio de proteína 3FP no tiene actividad enzimática y normalmente tiene entre 60 y 74 residuos de aminoácidos de longitud. [2] [3] [4] [5] A pesar de su estructura conservada, las proteínas de toxina de tres dedos tienen una amplia gama de efectos farmacológicos . La mayoría de los miembros de la familia son neurotoxinas que actúan sobre la señalización intercelular colinérgica ; La familia de las alfa-neurotoxinas interactúa con los receptores nicotínicos de acetilcolina musculares (nAChR), la familia de las kappa-bungarotoxinas con los nAChR neuronales y las toxinas muscarínicas con los receptores muscarínicos de acetilcolina (mAChR). [2]
La superfamilia de toxinas de tres dedos se define por una estructura terciaria común que consiste en tres bucles que contienen cadenas beta (denominados bucles I, II y III) que se proyectan desde un pequeño núcleo hidrofóbico que contiene cuatro enlaces disulfuro conservados . Se cree que esta estructura se asemeja a una mano con tres dedos, lo que da lugar al nombre. [2] Las proteínas suelen tener entre 60 y 74 residuos de aminoácidos de longitud, aunque algunas tienen extensiones N o C-terminales adicionales . Puede haber un enlace disulfuro adicional tanto en el bucle I como en el bucle II. [2] La superfamilia se puede dividir en tres clases: [2] [3] [6]
La mayoría de las proteínas 3FTx son monómeros . Sin embargo, algunos subgrupos de 3FTx forman homodímeros no covalentes funcionales . [2] El grupo kappa-bungarotoxina es el 3FTx dimérico mejor caracterizado e interactúa a través de una interfaz de dímero antiparalelo compuesta por la cadena externa del bucle III. [7] La haditoxina es otro ejemplo de un 3FTx dimérico; es un miembro del grupo de cadena corta y tiene una interfaz de dímero similar pero una farmacología distinta en comparación con las kappa-bungarotoxinas de cadena larga. [9]
También se han descrito algunos ejemplos de dímeros unidos covalentemente. [2] Estas proteínas, del grupo no convencional, están unidas a través de enlaces disulfuro intermoleculares. Algunas, como la irditoxina , son heterodímeros unidos por cisteínas en los bucles I y II. [8] Otras, como la α-cobratoxina , pueden formar tanto homodímeros como heterodímeros que tienen actividades farmacológicas distintas in vitro , aunque su importancia funcional no está clara debido a su muy baja concentración en el veneno. [10]
A pesar de su estructura compartida conservada, las proteínas 3FTx tienen una amplia gama de efectos farmacológicos que median su toxicidad. Muchos miembros de la familia son neurotoxinas que se unen a las proteínas receptoras en la membrana celular, en particular los receptores nicotínicos de acetilcolina . Otros, incluido el segundo subgrupo más grande de 3FTx, son cardiotoxinas . [2]
Muchas de las proteínas 3FTx mejor caracterizadas ejercen sus efectos tóxicos a través de la unión a los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR), una familia de canales iónicos controlados por ligando . La unión de 3FTx interfiere con la señalización intercelular colinérgica particularmente en las uniones neuromusculares y causa parálisis . La familia de alfa-neurotoxinas es un grupo de proteínas 3FTx que se unen a los nAChR musculares , impidiendo la unión del neurotransmisor acetilcolina . [11] [2] La alfa-bungarotoxina , la alfa-neurotoxina de la krait de muchas bandas ( Bungarus multicinctus ), tiene una larga historia de uso en la investigación de biología molecular ; fue a través del estudio de esta toxina que se aislaron y caracterizaron los nAChR, lo que facilitó el estudio de la composición de subunidades de los nAChR específicos de tejido y la comprensión farmacológica detallada de la unión neuromuscular . [12] En general, los miembros 3FTx de cadena corta de este grupo se unen únicamente a los nAChR musculares, y los miembros de cadena larga se unen tanto a los receptores musculares como a los neuronales. A este grupo 3FTx a veces se lo denomina toxinas "curaremiméticas" debido a la similitud de sus efectos con el alcaloide vegetal curare . [2]
Otros grupos de proteínas 3FTx también se unen a diferentes subtipos de nAChR; por ejemplo, las neurotoxinas kappa, que son dímeros de cadena larga, se unen a los nAChR neuronales, y la haditoxina, que es un dímero de cadena corta, se une tanto a los subtipos musculares como neuronales. Las proteínas 3FTx no convencionales también se unen a menudo a los nAChR; se pensaba que eran toxinas más débiles cuando se descubrieron por primera vez, pero se ha descubierto que la clase posee una variedad de afinidades de unión . [2] Recientemente, se ha descrito una nueva clase de proteínas 3FTx antagonistas de nAChR llamadas omega-neurotoxinas. [13]
Una clase más pequeña de proteínas 3FTx se une en cambio a los receptores muscarínicos de acetilcolina , una familia de receptores acoplados a la proteína G. Las toxinas muscarínicas pueden ser agonistas o antagonistas de los receptores y, en algunos casos, la misma proteína 3FTx es agonista en un subtipo de receptor y antagonista en otro. Las toxinas muscarínicas son generalmente del tipo de cadena corta. [2]
Una clase de proteínas 3FTx llamadas fasciculinas se unen a la enzima acetilcolinesterasa e inhiben su actividad al bloquear el acceso de la acetilcolina al sitio activo de la enzima , impidiendo así su degradación. Esta clase deriva su nombre de su efecto clínico, que provoca fasciculaciones musculares . [2] [14]
La segunda clase más grande de proteínas 3FTx causa toxicidad en los miocitos cardíacos y puede causar un aumento de la frecuencia cardíaca y, finalmente, un paro cardíaco . Estas cardiotoxinas también suelen tener efectos citotóxicos generalizados y, a veces, se las conoce como citolisinas. Los objetivos proteicos en los miocitos no se conocen generalmente para esta clase, aunque algunos miembros pueden causar daño físico a la célula al establecer poros en la membrana celular . [2]
Otra clase, llamada beta-cardiotoxinas, causa una disminución de la frecuencia cardíaca y se cree que funcionan como betabloqueantes , antagonistas de los receptores adrenérgicos beta-1 y beta-2 . [2] [15]
Se conocen proteínas 3FTx que se dirigen a una variedad de dianas proteicas adicionales para ejercer sus efectos tóxicos. Por ejemplo, los canales de calcio de tipo L son el objetivo de la calciseptina y la agregación plaquetaria se inhibe a través de interacciones con proteínas de adhesión por parte de la dendroaspina y proteínas relacionadas. [2] En algunos casos no se observa toxicidad como resultado de la interacción 3FTx-diana; por ejemplo, la familia de proteínas 3FTx mambalgina interactúa con canales iónicos sensibles al ácido para producir analgesia sin efecto tóxico aparente en pruebas de laboratorio. [16]
Los estudios basados en la bioinformática de secuencias de proteínas conocidas han identificado a menudo una serie de secuencias que probablemente formen una estructura de proteína 3FTx pero cuya función no ha sido caracterizada experimentalmente. Por lo tanto, no se sabe si estas proteínas "huérfanas" son de hecho toxinas o cuáles podrían ser sus objetivos celulares. [2] [17] Los estudios genómicos de la expresión genética en serpientes han demostrado que los miembros de las familias de proteínas tradicionalmente consideradas toxinas se expresan ampliamente en los tejidos corporales de las serpientes y que este patrón de expresión ocurre fuera de la superfamilia altamente venenosa Caenophidia . [18]
Debido a que las proteínas 3FTx de estructura similar se unen a una amplia gama de objetivos proteicos celulares, las relaciones entre la secuencia de la proteína 3FTx y su actividad biológica se han estudiado ampliamente, especialmente entre las alfa-neurotoxinas . Los sitios funcionales conocidos que confieren afinidad y especificidad de unión se concentran en los bucles de las proteínas 3FTx. [2] Por ejemplo, la estructura cristalina de la alfa-bungarotoxina en complejo con el dominio extracelular de la subunidad alfa-9 nAChR indica una interacción proteína-proteína mediada por los bucles I y II, sin contactos formados por el bucle III. [19] Se han mapeado superficies de interacción para varias toxinas y varían en qué bucles participan en la unión; [2] la erabutoxina A usa los tres bucles para unirse a los nAChR, [20] mientras que la interacción de la dendroaspina con las proteínas de adhesión está mediada por tres residuos en el bucle III. [21] En algunas proteínas 3FTx con una extensión C-terminal, estos residuos también participan en la formación de interacciones de unión clave. [2]
El subgrupo cardiotoxina/citolisina 3FTx tiene un conjunto algo diferente de residuos funcionalmente significativos debido a su mecanismo de acción distinto, que probablemente involucra interacciones con fosfolípidos en la membrana celular , [22] así como posibles interacciones funcionalmente significativas con otras moléculas de la superficie celular como los glicosaminoglicanos . [23] Se ha identificado un parche hidrofóbico de residuos contiguos en la estructura terciaria pero distribuidos en los tres bucles como funcionalmente significativo en combinación con un conjunto de residuos de lisina conservados que confieren carga positiva local. [2]
Debido a su similitud estructural y diversidad funcional, las proteínas 3FTx se han utilizado como sistemas modelo para el estudio de la ingeniería de proteínas . [24] Su alta especificidad de unión contra objetivos de interés farmacológico , la falta de actividad enzimática y la baja inmunogenicidad también han suscitado interés en su potencial como fármacos líderes. [25] [26] [4]
Aunque las proteínas de tres dedos en general están ampliamente distribuidas entre los metazoos , las toxinas de tres dedos aparecen solo en serpientes . [4] [18] Por lo general, se considera que están restringidas al linaje Caenophidia (el taxón que contiene todas las serpientes venenosas), aunque se ha identificado al menos un supuesto homólogo de 3FTx en el genoma de la pitón birmana , un miembro de un taxón hermano . [18] Los primeros trabajos de análisis de la homología de proteínas por alineamiento de secuencias en la década de 1970 sugirieron que las proteínas 3FTx pueden haber evolucionado a partir de una ribonucleasa ancestral ; [27] sin embargo, estudios de filogenia molecular más recientes indican que las proteínas 3FTx evolucionaron a partir de proteínas de tres dedos no tóxicas. [17] [28] [29]
Entre las serpientes venenosas, la distribución de las proteínas 3FTx varía; están particularmente enriquecidas en el veneno de la familia Elapidae . [4] [30] En la cobra real ( Ophiophagus hannah ) [31] y la mamba verde oriental ( Dendroaspis angusticeps ), [32] las proteínas 3FTx constituyen aproximadamente el 70% de las toxinas proteicas en el veneno; en la serpiente coral del desierto ( Micrurus tschudii ) la proporción se informa tan alta como el 95%. [33]
Se cree que los genes que codifican toxinas de tres dedos han evolucionado a través de la duplicación genética . [28] Tradicionalmente, esto se ha conceptualizado como eventos repetidos de duplicación seguidos de neofuncionalización y reclutamiento a patrones de expresión genética restringidos a las glándulas venenosas. [28] [31] [34] Sin embargo, se ha argumentado que este proceso debería ser extremadamente raro y que la subfuncionalización explica mejor la distribución observada. [35] Más recientemente, se ha descubierto que las proteínas 3FP no tóxicas se expresan ampliamente en muchos tejidos diferentes en serpientes, lo que impulsa la hipótesis alternativa de que las proteínas de expresión restringida en la saliva fueron reclutadas selectivamente para la funcionalidad tóxica. [18] Existe evidencia de que la mayoría de los tipos de proteínas 3FTx han estado sujetos a selección positiva (es decir, selección diversificada) en su historia evolutiva reciente, [36] posiblemente debido a una carrera armamentista evolutiva con especies presa. [29] [31] Excepciones notables son la familia dimérica kappa-bungarotoxina , probablemente como resultado de restricciones evolutivas en la interfaz del dímero, y la familia cardiotoxina/citotoxina, en la que se cree que una fracción mayor de los residuos de la proteína tienen funciones funcionales. [36]