Scorpion Neurotoxin BeM9 Derivative Uncovers Unique Interaction Mode with Nav1.5 Sodium Channel Isoform

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Scorpion α-neurotoxins are classical ligands of voltage-gated sodium channels that inhibit their inactivation. The strength of this effect depends on the organism and channel isoform, and the precise mechanisms explaining the differences in activity are still unknown. Previously, we have shown that scorpion α-toxins are characterized by a modular structure. They consist of a conserved and structurally stable core module and a variable and mobile specificity module, which determines the selectivity for different channels. We noted a higher mobility of the specificity module in toxins active against mammals compared to insect-active toxins. We then hypothesized that the enhanced mobility in mammal toxins was provided by two conserved glycine residues that enclose the N-terminal loop of the specificity module. To test this assumption, we obtained a derivative of the neurotoxin BeM9 from the venom of the scorpion Mesobuthus eupeus with two replacements of amino acid residues in the corresponding positions with glycine (A4G and Y17G). Unexpectedly, it turned out that BeM9GG lost its activity against Nav1.5 channel isoform, characteristic of mammalian cardiac muscle. A comparison of two known structures of voltage-gated sodium channel complexes with scorpion toxins made it possible to explain the observed effect. We hypothesize an essential role of the membrane in the interaction of toxins with the Nav1.5 isoform.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. A. Chernykh

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: avas@ibch.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

M. A. Duzheva

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences; D.I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology

Email: avas@ibch.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997; Miusskaya pl. 9, Moscow, 125047

N. A. Kuldyushev

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: avas@ibch.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

S. Peigneur

KU Leuven, ON II

Email: avas@ibch.ru
Belgium, Herestraat 49, box 922, 3000, Leuven, Belgium

A. A. Berkut

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: avas@ibch.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

J. Tytgat

KU Leuven, ON II

Email: avas@ibch.ru
Belgium, Herestraat 49, box 922, 3000, Leuven

A. A. Vassilevski

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: avas@ibch.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

A. O. Chugunov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: avas@ibch.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

References

  1. Jiang D., Zhang J., Xia Z. // Front Pharmacol. 2022. V. 13. P. 908867. https://doi.org/10.3389/fphar.2022.908867
  2. Catterall W.A. // Channels (Austin). 2023. V. 17. P. 2281714. https://doi.org/10.1080/19336950.2023.2281714
  3. Zhu S., Peigneur S., Gao B., Lu X., Cao C., Tytgat J. // Mol. Cell Proteomics. 2012. V. 11. P. M111.012054. https://doi.org/10.1074/mcp.m111.012054
  4. Durek T., Vetter I., Wang C.-I.A., Motin L., Knapp O., Adams D.J., Lewis R.J., Alewood P.F. // ACS Chem. Biol. 2013. V. 8. P. 1215–1222. https://doi.org/10.1021/cb400012k
  5. Chugunov A.O., Koromyslova A.D., Berkut A.A., Peigneur S., Tytgat J., Polyansky A.A., Pentkovsky V.V., Vassilevski A.A., Grishin E.V., Efremov R.G. // J. Biol. Chem. 2013. V. 288. P. 19014–19027. https://doi.org/10.1074/jbc.m112.431650
  6. Clairfeuille T., Cloake A., Infield D.T., Llongueras J.P., Arthur C.P., Li Z.R., Jian Y., Martin-Eauclaire M.-F., Bougis P.E., Ciferri C., Ahern C.A., Bosmans F., Hackos D.H., Rohou A., Payandeh J. // Science. 2019. V. 363. P. eaav8573. https://doi.org/10.1126/science.aav8573
  7. Jiang D., Tonggu L., Gamal El-Din T.M., Banh R., Pomès R., Zheng N., Catterall W.A. // Nat. Commun. 2021. V. 12. P. 128. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20078-3
  8. Волкова Т.М., Гарсия А.Ф.., Тележинская И.Н., Потапенко Н.А., Гришин Е.В. // Биоорг. химия. 1984. T. 10. C. 979–982.
  9. Chernykh M.A., Kuldyushev N.A., Berkut A.A., Efremov R.G., Vassilevski A.A., Chugunov A.O., Peigneur S., Tytgat J. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2021. V. 47. P. 854–863. https://doi.org/10.1134/S1068162021040063
  10. Kuldyushev N.A., Berkut A.A., Peigneur S., Tytgat J., Grishin E.V., Vassilevski A.A. // FEBS Lett. 2017. V. 591. P. 3414–3420. https://doi.org/10.1002/1873-3468.12839
  11. Chen H., Heinemann S.H. // J. Gen. Physiol. 2001. V. 117. P. 505–518. https://doi.org/10.1085/jgp.117.6.505
  12. Chen H., Lu S., Leipold E., Gordon D., Hansel A., Heinemann S.H. // Eur. J. Neurosci. 2002. V. 16. P. 767–770. https://doi.org/10.1046/j.1460-9568.2002.02142.x
  13. Hamon A., Gilles N., Sautière P., Martinage A., Kopeyan C., Ulens C., Tytgat J., Lancelin J.-M., Gordon D. // Eur. J. Biochem. 2002. V. 269. P. 3920–3933. https://doi.org/10.1046/j.1432-1033.2002.03065.x
  14. Zhu L., Peigneur S., Gao B., Tytgat J., Zhu S. // Biochimie. 2013. V. 95. P. 1732–1740. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2013.05.009
  15. Goudet C., Huys I., Clynen E., Schoofs L., Wang D.C., Waelkens E., Tytgat J. // FEBS Lett. 2001. V. 495. P. 61–65. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(01)02365-1
  16. Cologna C.T., Peigneur S., Rustiguel J.K., Nonato M.C., Tytgat J., Arantes E.C. // FEBS J. 2012. V. 279. P. 1495–1504. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2012.08545.x
  17. Kirsch G.E., Skattebøl A., Possani L.D., Brown A.M. // J. Gen. Physiol. 1989. V. 93. P. 67–83. https://doi.org/10.1085/jgp.93.1.67
  18. Pucca M.B., Cerni F.A., Peigneur S., Bordon K.C.F., Tytgat J., Arantes E.C. // Toxins (Basel). 2015. V. 7. P. 2534–2550. https://doi.org/10.3390/toxins7072534
  19. Pucca M.B., Peigneur S., Cologna C.T., Cerni F.A., Zoccal K.F., Bordon K. de C.F., Faccioli L.H., Tytgat J., Arantes E.C. // Biochimie. 2015. V. 115. P. 8–16. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2015.04.010
  20. Shlyapnikov Y.M., Andreev Y.A., Kozlov S.A., Vassilevski A.A., Grishin E.V. // Protein Expr. Purif. 2008. V. 60. P. 89–95. https://doi.org/10.1016/j.pep.2008.03.011
  21. Studier F.W., Moffatt B.A. // J. Mol. Biol. 1986. V. 189. P. 113–130. https://doi.org/10.1016/0022-2836(86)90385-2
  22. Hochuli E., Bannwarth W., Döbeli H., Gentz R., Stüber D. // Nat. Biotechnol. 1988. V. 6. P. 1321–1325. https://doi.org/10.1038/nbt1188-1321
  23. Andreev Y.A., Kozlov S.A., Vassilevski A.A., Grishin E.V. // Anal. Biochem. 2010. V. 407. P. 144–146. https://doi.org/10.1016/j.ab.2010.07.023
  24. Kuzmenkov A.I., Sachkova M.Y., Kovalchuk S.I., Grishin E.V., Vassilevski A.A. // Biochem. J. 2016. V. 473. P. 2495–2506. https://doi.org/10.1042/bcj20160436
  25. Webb B., Sali A. // Curr. Protoc. Bioinformatics. 2016. V. 54. P. 5.6.1–5.6.37. https://doi.org/10.1002/cpbi.3
  26. Abraham M.J., Murtola T., Schulz R., Páll S., Smith J.C., Hess B., Lindahl E. // SoftwareX. 2015. V. 1. P. 19–25. https://doi.org/10.1016/j.softx.2015.06.001
  27. Lindorff-Larsen K., Piana S., Palmo K., Maragakis P., Klepeis J.L., Dror R.O., Shaw D.E. // Proteins. 2010. V. 78. P. 1950–1958. https://doi.org/10.1002/prot.22711
  28. Jorgensen W.L., Chandrasekhar J., Madura J.D., Impey R.W., Klein M.L. // J. Chem. Phys. 1983. V. 79. P. 926–935.
  29. Bussi G., Donadio D., Parrinello M. // J. Chem. Phys. 2007. V. 126. P. 014101. https://doi.org/10.1063/1.2408420
  30. Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F., DiNola A., Haak J.R. // J. Chem. Phys. 1984. V. 81. P. 3684–3690. https://doi.org/10.1063/1.448118

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Structural features of α-NaTx. (a) Comparison of amino acid sequences of representatives of different α-NaTx groups. Pink shows the α-helix, blue – the β-strands, shades of green – different regions of the specificity module: light – RT-loop, darker – β₂–β₃-loop, dark – C-terminal region. The “hinge” glycines (residues 4 and 17 according to the Aah2 numbering) are highlighted in magenta; (b) – spatial organization of α-NaTx using the Aah2 mammalotoxin as an example. Color coding is similar to that in panel (a). Disulfide bridges are shown in yellow; (c) – general view of the interaction of α-NaTx with sodium channels using the Lqh3–hNaᵥ1.5 complex as an example [7]. Naᵥ is shown as a colored surface with individually colored homologous repeats D I–IV (PD is paler, VCD is bright). Lqh3 is shown in burgundy.

Download (405KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Differences in the structure of Naᵥ complexes with α-NaTx. (a, b) – Binding site of α-NaTx with Naᵥ in the membrane. VSD IV channel is highlighted in blue, PD I is highlighted in green (glycan is visible), toxins are shown in pink and crimson; (c) – comparison of amino acid sequence fragments S2 and S3 of VSD IV. The so-called “support” residues that determine the nature of the attachment of the β₂–β₃-loop of α-NaTx are highlighted in yellow; (d, d) – attachment of the β₂–β₃-loop of α-NaTx to the “support” residues S2–S3 of VSD IV. Color designations are similar to panels (a, b), the “support” residues are shown in yellow.

Download (558KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Effect of the Y17G mutation on BeM9 binding to Naᵥ. Channel IV VSD is shown in blue, channel I VSD is shown in green, BeM9 toxin is shown in pink, and the Y17 residue directed toward the membrane in BeM9 and replaced by glycine in BeM9GG is shown in dark red. (a) – Model of the BeM9–hNaᵥ1.5 complex obtained by spatial superposition with Lqh3 from the 7K18 complex. It is seen that the Y17 residue in BeM9 is buried in the membrane; (b) – model of the BeM9–mNaᵥ1.6 complex (for construction of the model, see the “Experimental section”).

Download (477KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».