הנמייה, הקפוד והנחש

אבולוציה של הקולטן לאצטיל כולין

מהסרט המצוייר ריקי-טיקי-טאבי, המבוסס על ספרו של רודיארד קיפלינג

הקולטן הניקוטיני לאצטיל-כולין (תעלת הלוחית הסופית) הוא חלבון חוצה-ממברנה הבנוי מחמש תת-יחידות (α₂, β, γ, δ). אתר הקישור של הקולטן לליגנד, האצטיל-כולין, נמצא בתת-יחידות α, באזור שיש בו שני ציסטאינים.

הרעלן α-bungarotoxin ( α-BTX, מקבוצת α-neurotoxins), הנמצא בבלוטות הארס של נחשים ארסיים

אחדים, נקשר לקולטן הניקוטיני וחוסם אותו בפני קליטת אצטיל-כולין.

התת-יחידה α של הקולטן הניקוטיני בודדה מדג החשמל (Torpedo), מעכבר, מתרנגולת ומאדם, ונקבע בה רצף חומצות האמינו. החוקרים אף הצליחו לייצר פוליפפטיד מלאכותי, של 12 חומצות אמינו, המקביל לחומצות האמינו 196-185 של התת-יחידה של דג החשמל, ולהראות שהוא הפפטיד הקצר ביותר שנשמרים בו אתרי הקשירה של האצטיל-כולין והרעלן. אתרי הקשירה של האצטיל-כולין ושל הרעלן אינם זהים, אך יש ביניהם חפיפה - קיימים קולטנים הקושרים רק אצטיל-כולין ואינם קושרים רעלן: בידודה של התת-יחידה α משלושה נחשים - נחש הקוברה (Naja naja atra), חנק מצוי (Eryx jaculus) ונחש מים (Natrix tesselata) - הראה שבשלושתם אין הרעלן נקשר לתת-יחידה. אין זה מפתיע שנחש הקוברה הארסי יהיה עמיד בפני הארס הקטלני, אך מדוע שיהיו עמידים החנק המצוי ונחש המים, שאינם ארסיים?

שני יונקים טורפי נחשים, הנמייה והקיפוד, עמידים אף הם בפני α-BTX, עמידות שפיתחו, קרוב לוודאי, בתהליך הסתגלותם למזונם הרעיל. מנגנון העמידות בפני רעלן יכול לפעול בשתי דרכים: האחת כימית (פירוק או שינוי אחר של הרעלן) או אימונולוגית (יצירת נוגדנים), והאחרת - שינויים בקולטן לרעלן. כדי לבדוק את האפשרות הראשונה, הוזרק הרעלן לעכברים לאחר שרייה ממושכת בנסיוב של נמייה. הרעלן לא נוטרל והעכברים מתו. לחוקרים התברר שהתת-יחידה α של הקולטן שבודדה מהנמייה אינה קושרת את הרעלן אלא רק את הליגנד, כפי שזה בנחשים.

האם אפשר להסיק מהשוואת רצפי חומצות האמינו באתר הקשירה לליגנד הטבעי ולאנטגוניסט ביצורים שונים, עמידים ולא-עמידים, על מנגנון העמידות בפני הרעלן?

הטבלה שלפניכם מציגה את את הרצפים של חומצות האמינו באזור הקשירה ביצורים שונים:

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

קשירה לרעלן

נחש מים

Trp

His

Ser

Val

Asn

Tyr

Ser

Cys

Cys

Leu

Asp

Thr

אינו קושר

לא ארסי

חנק מצוי

Trp

His

Ser

Val

Asn

Tyr

Ser

Cys

Cys

Leu

Asp

Thr

אינו קושר

לא ארסי

קוברה

Trp

His

Ser

Val

Asn

Tyr

Ser

Cys

Cys

Leu

Asp

Thr

אינו קושר

ארסי

נמייה

Lys

His

Asn

Val

Thr

Tyr

Ala

Cys

Cys

Leu

Thr

Thr

אינו קושר

עכבר

Lys

His

Trp

Val

Phe

Tyr

Thr

Cys

Cys

Pro

Thr

Thr

קושר

פרה

Lys

His

Trp

Val

Phe

Tyr

Ala

Cys

Cys

Pro

Ser

Thr

קושר

אדם

Lys

His

Ser

Val

Thr

Tyr

Ser

Cys

Cys

Pro

Asp

Thr

קושר

דג החשמל

Lys

His

Trp

Val

Tyr

Tyr

Thr

Cys

Cys

Pro

Asp

Thr

קושר

תרנגולת

Lys

His

Trp

Val

Tyr

Tyr

Thr

Cys

Cys

Pro

Asp

Thr

קושר

כאמור, בידי החוקרים היה פפטיד מלאכותי, של 12 חומצות אמינו, שנבנה על-פי רצף חומצות האמינו באזור הקשירה בדג החשמל. כדי לבדוק את חשיבות מיקומן של חומצות האמינו, אפשר לייצר פפטידים מלאכותיים נוספים השונים מהפפטיד המקורי בחומצות אמינו אחדות, ולבדוק את השפעתם של השינויים על הקשירה לליגנד ולרעלן. גם ניתוח השוואתי של הרצפים ביצורים עמידים ולא-עמידים עשוי לסייע לכך.

חומצות האמינו המשותפות לכל הרצפים המוצגים בטבלה הן ההיסטידין (בעמדה 186) ושני הציסטאינים (בעמדות 192 ו-193). האם יוצרות שלוש חומצות האמינו האלה, את אתר הקשירה לליגנד?

הבדל חשוב בין שתי קבוצות היצורים קיים בעמדה 194: בכל היצורים הרגישים לרעלן יש בעמדה זו פרולין, ואילו ביצורים העמידים לרעלן יש באותה עמדה לויצין. שינוי זה עשוי לגרום לשינוי ניכר במבנה המרחבי. הממצא זה מאשש את האפשרות שהפרולין היא חלק מאתר הקישור של הרעלן.

מאחר שהנמייה היא היונק היחיד העמיד לרעלן (הקיפוד, העמיד גם הוא, לא נחקר בעבודות האלה), השוואה בין הרצף של הנמייה לרצפיהם של יונקים אחרים עשויה ללמד על הסיבה להבדל. על-פי הטבלה, הרצף של הנמייה נבדל מהרצף של העכבר בעמדות 187, 189 ו-191 (נוסף על השינוי שבעמדה 194). השינויים בעמדות 187 ו-189 גם הם חשובים: חומצות אמינו ארומטיות (טריפטופן ופניל-אלנין) ביונקים הקושרים את הרעלן, לעומת חומצות אמינו לא-ארומטיות (אספרגין ותראונין) ביונקים העמידים לרעלן. החלפת הטירוזין שבעמדה 187 בדג החשמל באלנין או בגליצין מונעת לחלוטין את קשירת הרעלן. מנתונים אלה, ומנתונים אחרים, הסיקו החוקרים שפרולין בעמדה 194, חומצת אמינו ארומטית בעמדה 189 וטריפטופן בעמדה 187 הן שמונעות את קשירת הרעלן לתת-היחידה.

ומה לכל זה ולאבולוציה? החוקרים סבורים שהנחשים הראשונים היו נחשים ארסיים שפיתחו את מנגנון ההגנה נגד ארסם שלהם, ומהם התפתחו הנחשים הלא-ארסיים, ששמרו במהלך הדורות על העמידות בפני הרעלן אף שכבר לא ייצרו אותו.

הנמייה פיתחה את מנגנון הההגנה שלה בפני הארס באופן בלתי-תלוי, ונראה שבמהלך האבולוציה שרדו רק הנמיות שפיתחו את העמידות לרעלן.

הערה: נחשים נפגעים לפעמים מהארס שלהם או מארסם של נחשים אחרים, אך אין מדובר כאן בנירוטוקסינים, אלא בציטוטוקסינים או בסוגי רעלנים אחרים, ייחודיים פחות.

מקורות:

1. Fuchs S. et al., (1993): Molecular evolution of the binding site of the acetylcholine receptor. Anna. NY Acad. Sci. pp.126-139.
   
2. Barchan D. et al., (1992): How the mongoose can fight the snake: The binding site of the acetyl choline receptor. Proc. Natl. Acad Sci. USA, 89, 27-31.
   

פורסם ב-1998 באתר הקורס "התא מבנה ופעילות" באוניברסיטה הפתוחה