Микроорганизмы, токсины и эпидемии

Как мы убедились на примере порообразующих доменов, сходность функциональных структур токсинов между собой и с отдельными ферментами клеток хозяина обусловлена тем, что различные белки с родственными функциями имеют схожую последовательность аминокислот. Полагают, что такие семейства белков возникли путем дупликации одного предкового гена и последующего накопления в процессе эволюции мутаций, постепенно обусловивших появление родственных белков с новыми функциями [Альберте Б. с соав., 1994]. Наличие А и В субъединиц (доменов) в структурах молекул подавляющего большинства белковых токсинов, свидетельствует о том, что они, как правило, являются крупными функциональными белковыми агрегатами. Образование таких агрегатов стало возможным путем объединения двух или более белков в результате как нековалентных взаимодействий (сибиреязвенный, коклюшный и другие токсины), так и путем образования ковалентной связи между ними (ботулинический и столбнячный токсины). В свою очередь отдельные субъединицы токсинов так же состоят из некогда различных белков, объединенных в пептид, проявляющий несколько активностей сразу. Например, тяжелые цепи ботулинического и столбнячного токсина содержат два домена — регион, необходимый для транслокации токсина и регион, необходимый для взывания с клеткой. Белки такого типа образуются слиянием соответствующих генов в один ген, кодирующий большую полипептидную цепь. Для всех токсинов характерна «мультидоменная» структура. Это означает, что разные их части состоят из некогда отдельных глобулярных белков, объединенных естественным отбором ходе эволюции (рис. 20).

^{Рис. 20. «Мультидоменная» структура бактериальных токсинов. А. Общий принцип, по которому наложение двух различных белковых поверхностей в процессе эволюции приводит к появлению белков, содержащих новые центры связывания для других молекул — лигандсвязывающие центры часто располагаются в месте соприкосновения двух белковых доменов [Альберте Б. с соавт., 1994]. Б. Пространственные ленточные модели кристаллов шига-токсина S. dysenteriae [Frasier M. et al., 1994], температуро-лабильного токсина кишечной палочки [Sixma Т. et al., 1993] и коклюшного токсина [Stein P. et al., 1994]. Несмотря на выраженное конформационное сходство, каждый из этих белков имеет собственную эволюционную историю. Наличие большого количества доменов, независимо свертывающихся в разных частях молекул, свидетельствует о происхождении этих токсинов путем объединения генов различных глобулярных белков}

Если, не ввязываясь в спор о том, что прогрессивно в эволюции, что нет, подойти к эволюции токсинов только исходя из сложности их молекул, то можно построить своего рода эволюционную «лестницу». На ее нижнюю ступеньку, видимо, можно поместить порообразующие токсины, типа альфа-токсина стафилококка. Они способны лигандрецепторному узнаванию и образуют поры, через которые могут быть введены ферментативные молекулы, однако такие молекулы появляются уже на следующей эволюционной ступеньке. Ее занимают двухкомпонентные токсины, А- и В-субъединицы которых взаимодействуют без образования ковалентной связи, т. е. либо клетка еще не способна образовывать дисульфидные связи между субъединицами, либо еще не произошло слияния их генов. Последней ступенькой можно считать крупномолекулярные токсины, состоящие из тяжелых и легких цепей, объединенных ковалентными связями. Такие токсины имеют максимально возможную для белков молекулярную массу и, видимо, токсичность (супертоксины — ботулинический и столбнячный). Трехсоставные токсины типа сибиреязвенного и двухсоставные, объединенные ковалентной связью, занимают промежуточную ступеньку между крупномолекулярными супертоксинами, а так же двухсоставными, компоненты которых взаимодействуют без образования ковалентных связей. Видимо оба типа токсинов являются альтернативами эффективных структур, выбор между которыми в конкретных обстоятельствах остается за естественным отбором.