Эвгленофицин
Эвгленофицин — ихтиотоксическое соединение, выделенное из Euglena sanguinea , простейшего из рода Euglena . Он проявляет противораковую и гербицидную активность in vitro . [1]
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК 4-(6-((1E , 3E , 7Z ) -Ундека-1,3,7-триен-1-ил)пиперидин-2-ил)бутан-1-ол | |
| Идентификаторы | |
| |
3D модель ( JSmol ) |
|
| ChemSpider |
|
CID PubChem |
|
Панель инструментов CompTox ( EPA ) |
|
| |
| |
| Характеристики | |
| С20Н35Н0 | |
| Молярная масса | 305,506 г·моль −1 |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
История
Известно много пресноводных водорослей, которые вырабатывают токсины, среди которых эвгленовые ( Euglenophyceae). Было обнаружено, что эта водоросль обитает в пресноводных средах по всему миру. Многие эвгленовые являются гетеротрофными , поскольку они питаются либо фагоцитозом , либо простой диффузией. Однако монофилетическая группа водорослей является миксотрофной , а именно Rapaza viridis , что означает, что она переключается между фотосинтезом , поглощением питательных веществ и поглощением других эукариот. [2] Кроме того, Eutreptialis и Euglenales являются автотрофными, поскольку они содержат хлорофилл для выполнения фотосинтеза. Эвгленовые могут содержать хлорофилл и вспомогательный пигмент и/или астаксантин (каротиноид), из-за чего они могут быть окрашены либо в зеленый, либо в красный цвет. Хотя эта водоросль была обнаружена сравнительно рано в истории, исследователям потребовалось некоторое время, чтобы обнаружить, что она вырабатывает токсин эвгленофицин, поскольку ни в одном из предыдущих отчетов не были идентифицированы эвгленоидные токсины. Согласно недавним исследованиям, эвгленофицин вырабатывается по крайней мере шестью видами эвгленоидных водорослей и шестью из семи штаммов Euglena Sanguinea. [3] Другие исследования сосредоточены на потенциальном применении эвгленофицина в качестве противоракового препарата.
Открытие
В 2002 году более 21 000 полосатых окуней погибли в течение двух месяцев на аквакультурном объекте в Северной Каролине. Примерно в тот же период в Соединенных Штатах было зарегистрировано еще 12 случаев цветения токсичных водорослей, что привело к гораздо большему количеству смертей рыб. Общая сумма потерь из-за этих событий составила 1,1 миллиона долларов. [4] Очевидной причины отравления обнаружено не было, за исключением покрасневшей жаберной ткани. Образцы воды, взятые из пруда, содержали более 99% эвглены.
В 2004 году прудовая вода была серийно фракционирована и разделена на растворенные соединения, бактерии и водорослевые фракции, которые были исследованы. Было обнаружено, что токсин, вызвавший высокие показатели смертности, является небелковым, стабильным при нагревании до 30 °C в течение 10 минут и сохраняющим активность при замораживании при -80 °C в течение 60 дней. Клетки эвглены были изолированы, и световой микроскопический анализ подтвердил видовую идентичность как Euglena Sanguinea и идентифицировал токсин как эвгленофицин. [5]
Идентификация
Из-за сложной морфологии хлоропластов , описываемой как «своеобразная система хроматофоров», идентификация E. sanguinea с использованием микроскопических методов остается сложной задачей. Поэтому для проверки вида необходимо использовать методы, основанные на молекулярных данных. [6]
В 2013 году был разработан анализ MS/MS для идентификации и количественной оценки уровней эвгленофицина в пресноводных водоемах. Для создания экспериментальных стандартов для этого анализа эвгленофицин был очищен с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) из клональных культур E. Sanguinea, которые были выделены из случаев смертности в Северной Каролине и Техасе. [4] На рисунке 1A показан масс-спектрометрический анализ очищенного эвгленофицина (500 нг), а на рисунке 1B — эвгленофицина, извлеченного из культуры E. Sanguinea. [7]
Рисунок 1. Масс-спектрометрический анализ эвгленофицина. A. Масс-спектр 500 нг очищенного эвгленофицина. B. Масс-спектр эвгленофицина, выделенного из культуры E. Sanguinea. C&D. Масс-спектр 1 нг эвгленофицина.
Для специфического обнаружения эвгленофицина был разработан метод мониторинга множественных реакций (MRM) . Этот метод основан на трех переходах: m/z 288,3 в m/z 97,2, 110,2 и 136,2. Из этих трех переходов m/z 110,2 был выбран в качестве квантификаторного иона, поскольку он был наиболее интенсивным продуктом иона. На рисунках 1C и 1D представлено обнаружение 1 нг эвгленофицина. [7]
Другим методом мониторинга пресноводных прудов является тест полимеразной цепной реакции (ПЦР) . В 2017 году этот тест был усовершенствован для специфического обнаружения эвгленофицина в водах, заселенных цветущими водорослями E. Sanguinea. Это было сделано на основе значительно длинных последовательностей рДНК SSU, обнаруженных в видах водорослей. [6] Используя вложенную ПЦР, неспецифическое связывание может быть уменьшено из-за амплификации неожиданных участков связывания праймера. Специфичность этого теста была доказана результатами ПЦР видов, близкородственных E. Sanguinea. В этих тестах не было обнаружено никаких продуктов. Кроме того, из нуклеотидной последовательности можно извлечь дополнительную информацию, что позволяет проводить исследование, классификацию и сравнение образца.
В сочетании с масс-спектрометрическими методами ПЦР-тесты облегчают мониторинг и оценку риска пресных вод, заселенных токсичными цветками E. Sanguinea.
Структура и реакционная способность
Эвгленофицин, продуцируемый эвгленоидами, является дизамещенным пиперидином, поскольку он состоит из пиперидинового кольца с бутанольной боковой цепью в 6-м положении и (1E,3E,7Z)-1,3,7-ундекатриеновой боковой цепью во 2-м положении. Боковая цепь во 2-м положении имеет сопряженную систему, дающую ей поглощение при 238 нм. Как 2-е, так и 6-е положение в пиперидиновом кольце являются хиральными центрами , и, таким образом, их комбинация определяет цис/транс-стереоизомерию соединения. Согласно анализу ЯМР при экстракции, большая часть эвгленофицина, продуцируемого эвгленоидами, находится в цис-конформации относительно 2-го и 6-го положения. [4] Абсолютная цис/транс-стереоизомерия, однако, еще не обнаружена. Более того, каждая двойная связь является центром E/Z-стереоизомерии, которая в сочетании с цис/транс-стереоизомерией дает в общей сложности 12 стереоизомеров (теоретически).
Хотя атомы азота и кислорода способны образовывать водородные связи, соединение нерастворимо в воде и очень стабильно в органических растворителях, что соответствует его in silico предсказанному значению log(p) ~5,6. Примечательно, что структура эвгленофицина, за исключением боковой цепи бутанола, чрезвычайно похожа на соленопсин, основной компонент яда огненного муравья. Следовательно, путь синтеза, реакционная способность, химические свойства и токсичность этих соединений также могут напоминать друг друга. Эффективность соленопсина как противоракового препарата побудила исследователей исследовать потенциал эвгленофицина для аналогичного препарата. Раздел «механизмы действия» более подробно рассматривает этот аспект.
Биосинтез
Эвгленофицин, скорее всего, вырабатывается ферментами, известными как поликетидсинтазы (ПКС), которые широко распространены в эвгленоидах, а также в других водорослях, вырабатывающих поликетиды. [2] [1]
4.1 Оценки биосинтетических путей на основе структурного сходства
Механизм, посредством которого эвгленоиды производят эвгленофицин, пока неизвестен. Тем не менее, оценки могут быть сделаны по этому пути из-за структурного сходства эвгленофицина с многочисленными другими природными соединениями, но к таким оценкам следует относиться с крайней осторожностью, поскольку они не имеют научного подтверждения.
Хотя соленопсин, вырабатываемый огненным муравьем, демонстрирует высокое структурное сходство с эвгленофицином, неизвестно, схожи ли пути синтеза этих токсинов, что может иметь место, если имела место конвергентная эволюция этого пути. [4]
Интересно, что Джин Н. Тавара и др. (1993) исследовали токсичные алкалоиды пиперидины из сосны (Pinus) и ели (Picea), которые структурно похожи на эвгленофицин и также имеют поликетидное происхождение (рисунок 2). [8]
Из-за этого выдающегося сходства в обеих структурах, за исключением боковой цепи, и происхождения, вероятно, что путь синтеза этих соединений связан с путем синтеза эвгленофицина, принимая во внимание эволюционные отношения между водорослями и деревьями. [9] То же самое относится и к кониину, также известному как «убийца Сократа», который является другим соединением, которое, по-видимому, еще больше похоже на эвгленофицин и было исследовано Ханну Хотти и Хайко Ришером (рисунок 3). [10]
Исследователи обеих групп соединений, напоминающих эвгленофицин, попытались выяснить путь синтеза. Пути синтеза, предложенные обеими группами исследователей, во многом перекрываются и, по-видимому, являются дополнительными. Во-первых, предполагается, что ацетат конъюгируется с коферментом А с образованием ацетил-КоА. Затем он превращается в бутирил- и малонил-КоА, первый из которых катализируется синтетазой жирных кислот (FAS). Затем поликетидсинтаза соединяет эти два соединения с образованием промежуточного поликетида, точная структура которого пока не подтверждена (рисунок 3). Затем этот промежуточный продукт восстанавливается до кетокислоты, а затем до кетоальдегида. Затем L-аланин:аминотрансфераза (AAT) преобразует это последнее соединение в кетоаминовое соединение, которое спонтанно циклизуется и восстанавливается до замещенного пиперидинового соединения, известного как γ-коницеин (рисунок 4).
Другие ферменты могут катализировать добавление различных боковых цепей к этим пиперидинам, давая ряд соединений на основе пиперидина (рисунок 4). Исследователи токсинов сосны и ели предложили структуру для поликетидного промежуточного соединения и подтвердили, что боковые цепи пиперидина модифицируются после циклизации. Исследования пока не подтвердили эти пути синтеза со стопроцентной уверенностью, однако предполагается, что эвгленоиды используют те же механизмы для производства эвгленофицина.
Токсичность
До того, как был идентифицирован эвгленофицин, исследователи наблюдали, что рыбы, подвергшиеся воздействию клеток E. Sanguinea, проявляли симптомы дезориентации, учащенного дыхания и неспособности сохранять равновесие. У этих рыб также наблюдалось покраснение жаберной ткани, но кровоизлияний обнаружено не было. [5] На основании поведенческих изменений, которые сопровождали эти симптомы, американские исследователи предположили, что токсин действует как нейротоксин. [5]
Неполовозрелые сомы, протестированные с водорослевыми фракциями по Зимбе и др. (2004), погибли в течение 2 часов после воздействия. [5] Позднее Зимба и др. (2009) подтвердили эти случаи смертности, когда сомы, подвергшиеся воздействию очищенного эвгленофицина, погибли в течение 30 минут после воздействия. [4]
Хотя эвгленофицин вырабатывается по крайней мере шестью другими видами эвгленоидных, E. Sanguinea, по-видимому, является единственным видом, который представляет значительную проблему для аквакультуры и, следовательно, экономики. Это связано с тем, что E. Sanguinea образует гораздо более плотные токсичные цветки. [11]
Зимба и др. (2009) исследовали токсичность эвгленофицина против пяти видов водорослей: Oocystis polymorpha, Gonphonema parvulum, Microcystis aeruginosa, Planktothrix PCC7811 и Scenedesmus dimorphus. Эвгленофицин подавлял рост всех пяти видов, и ингибирование было значительным при концентрациях <300 ppb во всех случаях. [4]
Механизмы действия
Хотя синтез эвгленофицина еще не полностью изучен, эксперименты показали, что эвгленоиды в культуре производят эвгленофицин независимо от состояния их роста. Это может быть признаком того, что эвгленофицин является частью защитного механизма водорослей. [4]
Эвгленофицин был идентифицирован сравнительно недавно, поэтому точный механизм остается неясным. Однако, по своей структуре эвгленофицин очень похож на соленопсин. Соленопсин обнаружен в яде огненных муравьев, а механизм соленопсина изучен гораздо лучше. Ожидается, что механизмы как эвгленофицина, так и соленопсина также будут похожи.
Исследование соленопсина и механизма его действия является первым важным указанием на механизм действия эвгленофицина. Исследования in vitro показали, что соленопсин оказывает ингибирующее действие на PI3K/AKT, которые являются частью пути mTOR в клетках млекопитающих. Этот путь используется для нескольких клеточных процессов, таких как рост клеток, пролиферация клеток, выживание клеток, синтез белков, подвижность клеток и аутофагия. [12]
Последние исследования показали, что эвгленофицин обладает большим противораковым потенциалом. Это может быть вызвано ингибированием пути mTOR, поскольку известно, что путь mTOR может оказывать значительное влияние на стимуляцию раковых клеток при чрезмерной активации. Известно, что соленопсин и эвгленофицин способны ингибировать белок Pi3K. Pi3K активирует AKT, фосфорилируя его, что имеет ряд последующих эффектов. Он активирует путь mTOR, участвует в регуляции метаболизма и регулирует ингибиторы клеточного цикла. Он допускает пролиферацию и снижает апоптоз. Он сверхактивен при многих видах рака. Однако этот путь необходим для стимулирования роста и дифференциации взрослых (часто нейральных) стволовых клеток. [4]
Эксперименты показали, что эвгленофицин также обладает антиангиогенным эффектом. Эвгленофицин может ингибировать VEGF (фактор роста эндотелия сосудов) и, таким образом, предотвращать образование новых вен для обеспечения растущих опухолей кислородом и питательными веществами. Когда опухоли начинают расти, им требуется дополнительный кислород и питательные вещества. Прекратив их подачу, можно предотвратить появление опухолей до того, как они смогут вырасти и распространиться на другие части тела. [13]
Cabang et al (2017) сообщили, что антипролиферативный эффект эвгленофицина обусловлен его способностью останавливать клетки в клеточном цикле G1. [14] Остановка клеточного цикла происходит, когда клетка в клеточном цикле проверяется на наличие ошибок и обнаруживается ошибка. Клетки должны идеально дублироваться, если это не так, клеточный цикл приостанавливается, и клетка не дублируется. Это необходимо для предотвращения роста неисправных клеток у здорового человека.
Ссылки
- ^ ab o'Neill, Ellis C.; Trick, Martin; Henrissat, Bernard; Field, Robert A. (2015-12-01). «Эвглена во времени: эволюция, контроль центральных метаболических процессов и многодоменные белки в биохимии углеводов и природных продуктов». Perspectives in Science . 6 : 84–93 . Bibcode :2015PerSc...6...84O. doi : 10.1016/j.pisc.2015.07.002 . ISSN 2213-0209.
- ^ ab O'Neill, Ellis C.; Trick, Martin; Hill, Lionel; Rejzek, Martin; Dusi, Renata G.; Hamilton, Chris J.; Zimba, Paul V.; Henrissat, Bernard; Field, Robert A. (2015-09-15). «Транскриптом Euglena gracilis раскрывает неожиданные метаболические возможности для биохимии углеводов и натуральных продуктов». Molecular BioSystems . 11 (10): 2808– 2820. doi : 10.1039/C5MB00319A . ISSN 1742-2051. PMID 26289754.
- ^ Зимба, Пол В.; Хуан, И-Шо; Гутьеррес, Даниэль; Шин, Унги; Беннетт, Мэтью С.; Тример, Ричард Э. (01 марта 2017 г.). «Эвгленофицин вырабатывается как минимум в шести видах эвгленоидных водорослей и шести из семи штаммов Euglena sanguinea». Вредные водоросли . 63 : 79–84 . Бибкод : 2017HAlga..63...79Z. дои : 10.1016/j.hal.2017.01.010. ISSN 1568-9883. ПМК 5380236 . ПМИД 28366403.
- ^ abcdefgh Зимба, Пол В.; Мёллер, Питер Д.; Бошен, Кевин; Лейн, Ханна Э.; Тример, Ричард Э. (2010-01-01). «Идентификация эвгленофицина – токсина, обнаруженного в некоторых эвгленоидах». Toxicon . 55 (1): 100– 104. Bibcode :2010Txcn...55..100Z. doi :10.1016/j.toxicon.2009.07.004. ISSN 0041-0101. PMID 19615398.
- ^ abcd Зимба, П. В.; Роуэн, М.; Тример, Р. (2004). «Идентификация эвгленовых водорослей, которые производят ихтиотоксин(ы)». Журнал болезней рыб . 27 (2): 115– 117. Bibcode :2004JFDis..27..115Z. doi :10.1046/j.1365-2761.2003.00512.x. ISSN 1365-2761. PMID 15009253.
- ^ аб Карнковска-Исикава, Анна; Милановский, Рафал; Тример, Ричард Э.; Закрысь, Божена (2013). «Переописание морфологически сходных видов из рода Euglena: E. laciniata, E. sanguinea, E. sociabilis и E. splendens1». Журнал психологии . 49 (3): 616–626 . Бибкод : 2013JPcgy..49..616K. дои : 10.1111/jpy.12072 . ISSN 1529-8817. PMID 27007049. S2CID 13085787.
- ^ ab Gutierrez, Danielle B.; Rafalski, Alexandra; Beauchesne, Kevin; Moeller, Peter D.; Triemer, Richard E.; Zimba, Paul V. (сентябрь 2013 г.). «Количественный масс-спектрометрический анализ и оценка стабильности эвгленоидного токсина эвгленофицина после экстракции». Toxins . 5 (9): 1587– 1596. doi : 10.3390/toxins5091587 . PMC 3798875 . PMID 24051554.
- ^ Герсон, Элизабет А.; Келси, Рик Г. (2004-01-01). «Пиперидиновые алкалоиды в североамериканских таксонах Pinus: значение для хемосистематики». Биохимическая систематика и экология . 32 (1): 63–74 . Bibcode : 2004BioSE..32...63G. doi : 10.1016/S0305-1978(03)00174-1. ISSN 0305-1978.
- ^ Stenøien, HK (2008). «Медленная молекулярная эволюция в генах 18S rDNA, rbcL и nad5 мхов по сравнению с высшими растениями». Журнал эволюционной биологии . 21 (2): 566–571 . doi : 10.1111/j.1420-9101.2007.01479.x . ISSN 1420-9101. PMID 18205784.
- ^ Хотти, Ханну; Ришер, Хейко (ноябрь 2017 г.). «Убийца Сократа: кониин и родственные алкалоиды в царстве растений». Молекулы . 22 (11): 1962. doi : 10,3390/molecules22111962 . ПМК 6150177 . ПМИД 29135964.
- ^ Кульчицка, Агата; Лукомска-Ковальчик, Майя; Закрысь, Божена; Милановский, Рафал (01.06.2018). «ПЦР-идентификация токсичных видов эвгленид Euglena sanguinea». Журнал прикладной психологии . 30 (3): 1759–1763 . Бибкод : 2018JAPco..30.1759K. doi : 10.1007/s10811-017-1376-z. ISSN 1573-5176. ПМЦ 5982438 . ПМИД 29899599.
- ^ Арбисер, Джек Л.; Кау, Твини; Конар, Марта; Нарра, Кришна; Рамчандран, Рамани; Саммерс, Скотт А.; Влахос, Крис Дж.; Йе, Кэцян; Перри, Бетси Н.; Мэттер, Уильям; Фишль, Энтони (21.09.2006). «Соленопсин, алкалоидный компонент огненного муравья (Solenopsis invicta), является естественным ингибитором сигнализации фосфатидилинозитол-3-киназы и ангиогенеза». Кровь . 109 (2): 560– 565. doi :10.1182/blood-2006-06-029934. ISSN 0006-4971. PMC 1785094 . PMID 16990598.
- ^ "Ингибиторы ангиогенеза - Национальный институт рака". www.cancer.gov . 2018-05-01 . Получено 2021-03-11 .
- ^ Cabang, April B.; Mukhopadhyay, Keya De; Meyers, Sarah; Morris, Jay; Zimba, Paul V.; Wargovich, Michael J. (2017-11-01). «Терапевтические эффекты эвгленоидного ихтиотоксина, эвгленофицина, при раке толстой кишки». Oncotarget . 8 (61): 104347– 104358. doi :10.18632/oncotarget.22238. ISSN 1949-2553. PMC 5732811 . PMID 29262645.
