Recombinant production, species-specific activity at the TRPA1 channel, and significance of the N-terminal residue of ProTx-I toxin from Thrixopelma pruriens tarantula venom

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

The ProTx-I toxin from Thrixopelma pruriens tarantula venom inhibits voltage-gated sodium (NaV), potassium, and calcium channels, as well as the chemosensitive TRPA1 ion channel, affecting the activating processes of these channels. Due to its action at the NaV1.7, NaV1.8, and TRPA1 channels involved in pain perception and propagation, ProTx-I may be used as a model for the development of next-generation analgesics. ProTx-I consists of 35 amino acid residues, with three disulfide bonds forming an inhibitor cystine knot (ICK) motif, which challenges its heterologous production. An efficient ProTx-I production system is necessary to study, at the molecular level, the mechanism by which the toxin acts. In this study, we tested several approaches for bacterial production of disulfide-containing toxins. Cytoplasmic expression of ProTx-I fused with either thioredoxin or glutathione-S-transferase failed to yield a correctly folded toxin. However, the natively folded ProTx-I was successfully obtained by “direct” expression in the form of cytoplasmic inclusion bodies, followed by renaturation, as well as by secretion into the periplasmic space via fusion with maltose-binding protein. The activity of the recombinant ProTx-I was studied by electrophysiology in X. laevis oocytes expressing rat and human TRPA1 channels. The toxin proved to be more active on the rat channel than on the human channel (IC50 = 250 ± 85 and 840 ± 190 nM, respectively). The presence of an additional N-terminal methionine residue in the toxin obtained through “direct” expression significantly attenuated its activity.

Авторлар туралы

Mikhail Shulepko

Shenzhen MSU-BIT University

Email: mikhailshulepko@yandex.ru

Faculty of Biology

ҚХР, Shenzhen, Guangdong Province, 518172

Mendi Zhang

Shenzhen MSU-BIT University

Email: zmd010816@163.com

Faculty of Biology

ҚХР, Shenzhen, Guangdong Province, 518172

Eugenii Zhivov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry; Moscow Center for Advanced Studies

Email: evgeniy-kovalenko2016@mail.ru
Ресей, Moscow, 117997; Moscow, 123592

Dmitrii Kulbatskii

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry

Email: d.kulbatskiy@gmail.com
Ресей, Moscow, 117997

Alexander Paramonov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry

Email: apar@nmr.ru
ORCID iD: 0000-0003-3614-560X
Ресей, Moscow, 117997

Yuqi Che

Shenzhen MSU-BIT University

Email: cheyuqi1997@163.com

Faculty of Biology

ҚХР, Shenzhen, Guangdong Province, 518172

A. Kuznetsov

Shenzhen MSU-BIT University

Email: kuznetsov.a25@icloud.com

Faculty of Biology

ҚХР, Shenzhen, Guangdong Province, 518172

A. Popov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry; Kurchatov Medical Primatology Center of National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: lyukmanova_ekaterina@smbu.edu.cn
Ресей, Moscow, 117997; Krasnodarskiy kray, Sochi, 354376

Mikhail Kirpichnikov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry; Lomonosov Moscow State University

Email: kirpichnikov@inbox.ru

Interdisciplinary Scientific and Educational School “Molecular Technologies of the Living Systems and Synthetic Biology”, Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University

Ресей, Moscow, 117997; Moscow, 119234

Zakhar Shenkarev

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry; Moscow Center for Advanced Studies

Email: zakhar-shenkarev@yandex.ru
Ресей, Moscow, 117997; Moscow, 123592

Ekaterina Lyukmanova

Shenzhen MSU-BIT University; Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry; Moscow Center for Advanced Studies; Lomonosov Moscow State University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: lyukmanova_ekaterina@smbu.edu.cn

Faculty of Biology, Shenzhen MSU-BIT University; Interdisciplinary Scientific and Educational School “Molecular Technologies of the Living Systems and Synthetic Biology”, Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University

ҚХР, Shenzhen, Guangdong Province, 518172; Moscow, 117997 Russia; Moscow, 123592 Russia; Moscow, 119234 Russia

Әдебиет тізімі

  1. Kuhn-Nentwig L, Stöcklin R, Nentwig W. Venom Composition and Strategies in Spiders. Is Everything Possible? Adv Insect Physiol. 2011;40:1−86. doi: 10.1016/B978-0-12-387668-3.00001-5
  2. Peigneur S, de Lima ME, Tytgat J. Phoneutria nigriventer venom: A pharmacological treasure. Toxicon. 2018;151:96−110. doi: 10.1016/j.toxicon.2018.07.008
  3. Lyukmanova EN, Shenkarev ZO. Toxins from Animal Venom − A Rich Source of Active Compounds with High Pharmacological Potential. Toxins (Basel). 2024;16(12):512. doi: 10.3390/toxins16120512
  4. Cardoso FC, Lewis RJ. Structure-Function and Therapeutic Potential of Spider Venom-Derived Cysteine Knot Peptides Targeting Sodium Channels. Front Pharmacol. 2019;10:366. doi: 10.3389/fphar.2019.00366
  5. Kintzing JR, Cochran JR. Engineered knottin peptides as diagnostics, therapeutics, and drug delivery vehicles. Curr Opin Chem Biol. 2016;34:143−150. doi: 10.1016/j.cbpa.2016.08.022
  6. Milescu M, Bosmans F, Lee S, Alabi AA, Kim JI, Swartz KJ. Interactions between lipids and voltage sensor paddles detected with tarantula toxins. Nat Struct Mol Biol. 2009;16(10):1080−1085. doi: 10.1038/nsmb.1679
  7. Middleton RE, Warren VA, Kraus RL, et al. Two tarantula peptides inhibit activation of multiple sodium channels. Biochemistry. 2002;41(50):14734−14747. doi: 10.1021/bi026546a
  8. Gui J, Liu B, Cao G, et al. A Tarantula-Venom Peptide Antagonizes the TRPA1 Nociceptor Ion Channel by Binding to the S1–S4 Gating Domain. Curr Biol. 2014;24(5):473−483. doi: 10.1016/j.cub.2014.01.013
  9. Maatuf Y, Geron M, Priel A. The Role of Toxins in the Pursuit for Novel Analgesics. Toxins (Basel). 2019;11(2):131. doi: 10.3390/toxins11020131
  10. Souza Monteiro de Araujo D, Nassini R, Geppetti P, De Logu F. TRPA1 as a therapeutic target for nociceptive pain. Expert Opin Ther Targets. 2020;24(10):997−1008. doi: 10.1080/14728222.2020.1815191
  11. Dormer A, Narayanan M, Schentag J, et al. A Review of the Therapeutic Targeting of SCN9A and Nav1.7 for Pain Relief in Current Human Clinical Trials. J Pain Res. 2023;16:1487−1498. doi: 10.2147/JPR.S388896
  12. Moore SJ, Cochran JR. Engineering knottins as novel binding agents. Methods Enzymol. 2012;503:223−251. doi: 10.1016/B978-0-12-396962-0.00009-4
  13. Fitches EC, Pyati P, King GF, Gatehouse JA. Fusion to snowdrop lectin magnifies the oral activity of insecticidal ω-Hexatoxin-Hv1a peptide by enabling its delivery to the central nervous system. PLoS One. 2012;7(6):e39389. doi: 10.1371/journal.pone.0039389
  14. Yang S, Pyati P, Fitches E, Gatehouse JA. A recombinant fusion protein containing a spider toxin specific for the insect voltage-gated sodium ion channel shows oral toxicity towards insects of different orders. Insect Biochem Mol Biol. 2014;47(100):1−11. doi: 10.1016/j.ibmb.2014.01.007
  15. Monfared N, Ahadiyat A, Fathipour Y, Mianroodi RA. Evaluation of recombinant toxin JFTX-23, an oral-effective anti-insect peptide from the spider Selenocosmia jiafu venom gland proteome. Toxicon. 2022;217:78−86. doi: 10.1016/j.toxicon.2022.08.003
  16. Matsubara FH, Meissner GO, Herzig V, et al. Insecticidal activity of a recombinant knottin peptide from Loxosceles intermedia venom and recognition of these peptides as a conserved family in the genus. Insect Mol Biol. 2017;26(1):25−34. doi: 10.1111/imb.12268
  17. Costa S, Almeida A, Castro A, Domingues L. Fusion tags for protein solubility, purification and immunogenicity in Escherichia coli: the novel Fh8 system. Front Microbiol. 2014;5:63. doi: 10.3389/fmicb.2014.00063
  18. Berlec A, Strukelj B. Current state and recent advances in biopharmaceutical production in Escherichia coli, yeasts and mammalian cells. J Ind Microbiol Biotechnol. 2013;40(3−4):257−274. doi: 10.1007/s10295-013-1235-0
  19. Klint JK, Senff S, Saez NJ, et al. Production of recombinant disulfide-rich venom peptides for structural and functional analysis via expression in the periplasm of E. coli. PLoS One. 2013;8(5):e63865. doi: 10.1371/journal.pone.0063865
  20. Anangi R, Rash LD, Mobli M, King GF. Functional Expression in Escherichia coli of the Disulfide-Rich Sea Anemone Peptide APETx2, a Potent Blocker of Acid-Sensing Ion Channel 3. Mar Drugs. 2012;10(7):1605−1618. doi: 10.3390/md10071605
  21. Logashina YA, Solstad RG, Mineev KS, et al. New Disulfide-Stabilized Fold Provides Sea Anemone Peptide to Exhibit Both Antimicrobial and TRPA1 Potentiating Properties. Toxins (Basel). 2017;9(5):154. doi: 10.3390/toxins9050154
  22. Lyukmanova EN, Mironov PA, Kulbatskii DS, et al. Recombinant Production, NMR Solution Structure, and Membrane Interaction of the Phα1β Toxin, a TRPA1 Modulator from the Brazilian Armed Spider Phoneutria nigriventer. Toxins (Basel). 2023;15(6):378. doi: 10.3390/toxins15060378
  23. Berkut AA, Peigneur S, Myshkin MY, et al. Structure of Membrane-active Toxin from Crab Spider Heriaeus melloteei Suggests Parallel Evolution of Sodium Channel Gating Modifiers in Araneomorphae and Mygalomorphae. J Biol Chem. 2015;290(1):492−504. doi: 10.1074/jbc.M114.595678
  24. Shlyapnikov YM, Andreev YA, Kozlov SA, Vassilevski AA, Grishin EV. Bacterial production of latarcin 2a, a potent antimicrobial peptide from spider venom. Protein Expr Purif. 2008;60(1):89−95. doi: 10.1016/j.pep.2008.03.011
  25. Paiva ALB, Matavel A, Peigneur S, et al. Differential effects of the recombinant toxin PnTx4(5-5) from the spider Phoneutria nigriventer on mammalian and insect sodium channels. Biochimie. 2016;121:326−335. doi: 10.1016/j.biochi.2015.12.019
  26. Zhang H, Huang PF, Meng E, et al. An efficient strategy for heterologous expression and purification of active peptide hainantoxin-IV. PLoS One. 2015;10(2):e0117099. doi: 10.1371/journal.pone.0117099
  27. Shulepko MA, Lyukmanova EN, Shenkarev ZO, et al. Towards universal approach for bacterial production of three-finger Ly6/uPAR proteins: Case study of cytotoxin I from cobra N. oxiana. Protein Expr Purif. 2017;130:13−20. doi: 10.1016/j.pep.2016.09.021
  28. Andreev YA, Kozlov SA, Vassilevski AA, Grishin EV. Cyanogen bromide cleavage of proteins in salt and buffer solutions. Anal Biochem. 2010;407(1):144−146. doi: 10.1016/j.ab.2010.07.023
  29. Rupasinghe DB, Herzig V, Vetter I, et al. Mutational analysis of ProTx-I and the novel venom peptide Pe1b provide insight into residues responsible for selective inhibition of the analgesic drug target NaV1.7. Biochem Pharmacol. 2020;181:114080. doi: 10.1016/j.bcp.2020.114080
  30. Vásquez-Escobar J, Benjumea-Gutiérrez DM, Lopera C, et al. Heterologous Expression of an Insecticidal Peptide Obtained from the Transcriptome of the Colombian Spider Phoneutria depilate. Toxins (Basel). 2023;15(7):436. doi: 10.3390/toxins15070436
  31. Dubovskii PV, Dubinnyi MA, Konshina AG, et al. Structural and Dynamic “Portraits” of Recombinant and Native Cytotoxin I from Naja oxiana: How Close Are They? Biochemistry. 2017;56(34):4468−4477. doi: 10.1021/acs.biochem.7b00453
  32. Lyukmanova EN, Shenkarev ZO, Khabibullina NF, et al. N-terminal fusion tags for effective production of g-protein-coupled receptors in bacterial cell-free systems. Acta Naturae. 2012;4(15):58−64. doi: 10.32607/20758251-2012-4-4-58-64
  33. Saez NJ, Cristofori-Armstrong B, Anangi R, King GF. A Strategy for Production of Correctly Folded Disulfide-Rich Peptides in the Periplasm of E. coli. Methods Mol Biol. 2017;1586:155−180. doi: 10.1007/978-1-4939-6887-9_10
  34. Li J, Zhang H, Liu J, Xu K. Novel genes encoding six kinds of three-finger toxins in Ophiophagus hannah (king cobra) and function characterization of two recombinant long-chain neurotoxins. Biochem J. 2006;398(2):233−242. doi: 10.1042/BJ20060004
  35. Clement H, Flores V, De la Rosa G, Zamudio F, Alagon A, Corzo G. Heterologous expression, protein folding and antibody recognition of a neurotoxin from the Mexican coral snake Micrurus laticorallis. J Venom Anim Toxins Incl Trop Dis. 2016;22(1):25. doi: 10.1186/s40409-016-0080-9
  36. Lyukmanova EN, Shulga AA, Arsenieva DA, et al. A Large-Scale Expression in Escherichia coli of Neurotoxin II from Naja oxiana Fused with Thioredoxin. Russ J Bioorg Chem. 2004;30(1):25−34. doi: 10.1023/B:RUBI.0000015770.38602.e3

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Shulepko M.A., Zhang M., Zhivov E.A., Kulbatskii D.S., Paramonov A.S., Che Y., Kuznetsov A.V., Popov A.V., Kirpichnikov M.P., Shenkarev Z.O., Lyukmanova E.N., 2025

Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қолжетімді Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».