Cry-токсины

Cry-токсины (от crystal toxins; δ-эндотоксины, BT-токсины) — белковые токсины, продуцируемые бактерией Bacillus thuringiensis.

Разнообразие и специфичность

Bacillus thuringiensis — широко распространённая аэробная грам-положительная бактерия, способная к спорообразованию. В ходе споруляции этот микроорганизм формирует кристаллические включения, образованные специфическими для данного вида белковыми токсинами (т. н. Cry-белками). Кристаллы имеют бипирамидальную, кубическую или округлую форму и расположены в спорангии на противоположном по отношению к споре конце клетки. В настоящее время известно более 60 подвидов Bacillus thuringiensis, каждый из которых продуцирует токсины, обладающие энтомоцидным эффектом по отношению к разным группам класса Insecta (Насекомые). Известны токсины, с высокой специфичностью убивающие отдельных представителей отрядов Lepidoptera (Чешуекрылые) (семейства Cry1 и Cry9), Coleoptera (Жесткокрылые) (семейство Cry3) и Diptera (Двукрылые) (семейства Cry4 и Cry11) на стадии личинки. Эндотоксины Cry2 обладают двойной специфичностью — для Lepidoptera и Diptera[1][2].

Структура

Схематическое изображение молекулы истинного токсина Cry1Aa

Большинство энтомоцидных белков имеют молекулярную массу 130—145 kDa (представители семейств Cry1, Cry4, Cry9 и др.). Попадая в кишечник насекомых, они подвергаются действию присутствующих там протеиназ, образуя устойчивые к дальнейшему протеолизу фрагменты по 60-70 kDa — так называемые «истинные токсины». Для этих белков показана чётко выраженная доменная структура. С-концевой район достаточно консервативен среди разных классов энтомоцидных белков. При протеолизе он легко деградирует путём отщепления небольших фрагментов с молекулярной массой 15-35 kDa, в свою очередь быстро подвергающихся дальнейшему гидролизу. N-концевой район (соответствующий «истинному токсину») относительно устойчив к протеолизу и гораздо более вариабелен у разных белков, нежели С-концевой район. Таким образом, исходные 130—145 kDa белки представляют собой протоксины, нуждающиеся в активации протеиназами кишечного сока насекомых. Группа токсинов, к которой принадлежат представители семейств Cry2, Cry3, Cry10 и Cry11, включает в себя белки с молекулярной массой 60-70 kDa. По первичной структуре они напоминают N-концевые участки («истинные токсины») 130—145 kDa белков. Несмотря на то, что идентичность этих белков по аминокислотной последовательности составляет лишь около 30 %, их третичные структуры сходны. Cry-токсины — глобулярные белки, образованные тремя хорошо различимыми доменами. Домен I имеет полностью α-спиральную структуру. Домен II состоит из трёх антипараллельных β- слоёв и двух коротких α- спиралей. Домен III представляет собой β-сэндвич из двух антипараллельных β-слоёв. [3][4][5][6]

Механизм действия

При попадании в кишечник насекомого белковый кристалл растворяется в щелочной среде кишечного сока (рН 9.5-10.5); растворённые протоксины активируются протеолитическими трипсино- и химотрипсиноподобными ферментами кишечника насекомых до «истинных токсинов». Таким образом, белки кристаллов являются протоксинами, для их перехода в токсичную форму необходимо воздействие пищеварительного сока животного — хозяина. Следующей стадией токсического воздействия является связывание «истинного токсина» с аффинным к нему белком (рецептором), экспонированным на поверхности апикальных мембран эпителиальных клеток кишечника. На этом этапе связывание токсина с рецептором является обратимым. Связывание с рецептором вызывает существенные конформационные изменения в молекуле токсина, после которых альфа-спирали его N-концевого домена образуют в клеточной мембране пору или ионный канал, что приводит к гибели клеток от потери гомеостаза. После разрушения кишечного эпителия бактериальные клетки попадают в богатую питательным веществами гемолимфу насекомого, где и размножаются[7][8].

Практическое применение

Cry-токсины широко применяются в сельском хозяйстве в качестве инсектицидов. С 1940-1950-х годов применяется распыление спор бактерии Bacillus thuringiensis, продуцирующей в том числе данные токсины[9]. В настоящее время иногда считается альтернативой синтетическим инсектицидам.

Создаются и выращиваются с 1995 года генетически модифицированные сорта культурных растений, синтезирующие Cry-токсины в собственных тканях — главным образом кукуруза, хлопок и картофель[10].

Большое количество штаммов данного микроорганизма депонировано во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВКПМ) ГосНИИ Генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ГосНИИ Генетика).

Примечания

  1. ↑ Höfte H., Whiteley H.R. Insecticidal crystal proteins of Bacillus thuringiensis. Microbiol Rev. 1989 June; 53(2): 242—255. PMID 2666844
  2. ↑ Bravo A.,Gill S., Soberón M. Mode of action of Bacillus thuringiensis Cry and Cyt toxins and their potential for insect control. Toxicon. 2007 March 15; 49(4): 423—435. PMID 17198720
  3. ↑ Grochulski P., L. Masson, S. Borisova, M. Pusztai-Carey, J.-L. Schwartz, R. Brousseau, M. Cygler, Bacillus thuringiensis Cry1Aa insecticidal toxin: crystal structure and channel formation, Journal of Molecular Biology, 1995, 254: 447—464. PMID 7490762
  4. ↑ Mohan M., Gujar G.T. Characterization and comparison of midgut proteases of Bacillus thuringiensis susceptible and resistant diamondback moth (Plutellidae: Lepidoptera), Journal of Invertebrate Pathology 2003 Jan;82(1):1-11. PMID 12581714
  5. ↑ Boonserm P., Davis P., Ellar D.J., Li J. Crystal structure of the mosquito-larvicidal toxin Cry4Ba and its biological implications. J. Mol. Biol. 2005 Apr 29;348(2):363-82. PMID 15811374
  6. ↑ Li J.D., Carroll J., Ellar D.J. Crystal structure of insecticidal delta-endotoxin from Bacillus thuringiensis at 2.5 A resolution. Nature. 1991 Oct 31;353(6347):815-21. PMID 1658659
  7. ↑ Hofmann C., P. Luthy, R. Hutter, V. Pliska, Binding of the delta-endotoxin from Bacillus thuringiensis to brush-border membrane membrane vesicles of the cabbage butterfly (Pieris brassicae), 1988, European Journal of Biochemistry, 173: 85-91. PMID 2833394
  8. ↑ Masson L, Tabashnik BE, Liu YB, Brousseau R, Schwartz JL., Helix 4 of the Bacillus thuringiensis Cry1Aa toxin lines the lumen of the ion channel, Journal of Biological Chemistyry 1999 Nov 5;274(45):31996-2000 PMID 10542230
  9. ↑ Battlefields. Энтомологические войны Архивная копия от 2 ноября 2013 на Wayback Machine // 18 января 2011 года. ТрВ № 70, c. 7
  10. ↑ Brookes G, Barfoot P. GM crops: the first ten years - global socio-economic and environmental impacts (PDF) (2006). Дата обращения: 23 ноября 2008. Архивировано из оригинала 19 октября 2012 года.

Ссылки