Venómica. Mecanismos moleculares y evolutivos de la diversificación estructural de la familia de las disintegrinas

Abstract

Serpientes y lagartos forman el orden de los reptiles escamosos (Squamata). La composición proteica de los venenos refleja el hecho de que éstos se originaron en etapas tempranas de la evolución de los reptiles escamosos, por reclutamiento y transformación por evolución acelerada de un número reducido de proteínas endogenas. Los venenos de los vipéridos poseen un arsenal de proteínas capaces de degradar la matriz extracelular e interferir en la cascada de coagulación, el sistema hemostático y la reparación de tejidos. Los proteomas de las serpientes Viperinae caracterizados hasta la fecha están constituidos por isoformas de unas pocas (típicamente 10-12) familias de proteínas, cuya abundancia relativa presenta gran variación interespecífica. Las proteínas mayoritarias de los venenos de las víboras y serpientes de cascabel se agrupan en enzimas (proteasas dependientes de serina, metaloproteasas dependientes de Zn2+ del grupo de las reprolisinas, isoenzimas del grupo II de fosfolipasas A2, L-amino acido oxidasa) y proteínas sin actividad enzimática (proteínas similares a lectinas dependientes de Ca2+ y disintegrinas). Las metaloproteasas dependientes de Zn+2 (SVMP) son toxinas modulares y se clasifican en PI-PIV en función de los dominios que las forman. Las disintegrinas (40-100 AAs) son liberadas al veneno por procesamiento proteolítico de las metaloproteasas PII y actúan inhibiendo la adhesión de las integrinas a sus ligandos. Se clasifican en función de su longitud y número de enlaces disulfuro en monoméricas largas (~90 AAs, 7 SS), medias (~70 AAs, 6 SS) y cortas (~ 40 AAs, 4 SS) y diméricas (subunidades de ~ 63 AAs, 2 SS Inter.- y 4 SS intracatenarios). El objetivo general de esta Tesis Doctoral ha sido profundizar en el estudio de las bases moleculares de la diversificación estructural y funcional de la familia de las disintegrinas. Partimos de un esquema evolutivo basado en la pérdida sucesiva de enlaces disulfuro (“ingeniería de enlaces disulfuro”) y la acumulación de mutaciones (“química combinatorial”) en el bucle de inhibicón de integrinas. La aplicación de técnicas proteómicas nos ha permitido determinar la composición proteica del veneno crudo de Sistrurus m. barbouri, Echis ocellatus y Bitis arietans. Para ello los venenos se fraccionaron por RP-HPLC y cada una de estas fracciones fue analizada por SDS-PAGE, secuenciación N-terminal, determinación de masa molecular, contenido en cisteínas libres, enlaces disulfuro y huella peptídica por espectrometría de masas MALDI-TOF, además de secuenciación de novo por espectrometría de masas en tándem (MS/MS). Así pudimos adjudicar cada pico obtenido tras la separación a 10-12 familias de proteínas conocidas. Con el objeto de comparar proteoma y transcriptoma e investigar la posible presencia de intermediarios evolutivos de las familias de disintegrinas no expresados en el veneno se han analizado librerías de ADNc de glándulas de venenos de Bitis arietans y Echis ocellatus y hemos descrito la existencia de precursores evolutivos de las disintegrinas bitistatina (larga) y ocellatusina (corta) que nos han permitido proponer mecanismos moleculares para la emergencia de estos grupos de disintegrinas. La existencia de mensajeros que codifican para disintegrina no expresados en el veneno podría indicar la existencia de “fondos de reserva genómicos” de eventual relevancia para la adaptación a ecosistemas cambiantes. Además, mediante el análisis de la organización genómica de disintegrinas de las diferentes familias estructurales, hemos demostrado que la pérdida sucesiva de intrones forma parte de un mecanismo evolutivo de diversificación de las disintegrinas que conlleva una evolución acelerada y una minimización de las estructuras génica y proteica

Venoms of Viperidae and Crotalidae snakes contain proteins that interfere with the coagulation cascade, the haemostatic system and tissue repair. The general aim of this thesis was elucidate the molecular details of the mechanisms leading to snake venom toxin diversification. We describe the application of the proteomic characterization of Echis ocellatus (Eo), Bitis arietans (Ba) and Sistrurus m. barbouri (Smb) venoms. Their protein composition was analyzed by RP-HPLC and SDS-PAGE of each separated protein fraction. The molecular mass and the number of cysteine residues/disulphide bonds were determined by MALDI-TOF mass spectrometry. Selected protein bands were subjected to in-gel tryptic digestion, peptide mass fingerprinting and de novo sequencing by MS/MS. Our results show that snake venoms are composed of proteins belonging to a few protein families, including enzymes (serine proteinases, Zn2+-dependent PI-PIV metalloproteases, group II phospholipase A2 isoenzymes) and proteins with no enzymatic activity as disintegrins, which are potent antagonist of integrins. To understand the genomic basis of the accelerated evolution of disintegrins we have undertaken the analysis of cDNAs encoding disintegrins from venom gland libraries of Eo and Ba and the genomic organization of disintegrin genes. The cDNA sequences coding for dimeric disintegrins lack the metalloproteinase domain and belong thus to the short-coding class. Analysis of two distinct messengers coding for the short disintegrin ocellatusin strongly argues for a common ancestry of short- and dimeric disintegrin subunits. We also report the cloning and sequence analysis of a novel and unique ECD-disintegrin-like domain from Ba. It contains the 16 cysteine residues that are conserved in all PIII disintegrin-like domains but lacks the cysteine-rich domain. On the other hand, comparison of the exon-intron organization revealed that the evolutionary pathway leading to the diversification of disintegrins also involved the miniminization of the gene organization by the successive removal of introns.