Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1127910.32607/actanaturae.11279Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleVoltage-Sensing Domain of the Third Repeat of Human Skeletal Muscle NaV1.4 Channel As a New Target for Spider Gating Modifier ToxinsПотенциалчувствительный домен из третьего повтора канала скелетных мышц человека NaV1.4 – новая мишень действия «вольт-сенсорных» токсинов из ядов пауковMyshkinMikhail Yu.МышкинМихаил Юрьевич
Russian Federation
mikhail.myshkin@phystech.eduParamonovAlexander S.ПарамоновАлександр Сергеевич
Russian Federation
a.s.paramonov@gmail.comKulbatskiiDmitrii S.КульбацкийДмитрий Сергеевич
Russian Federation
d.kulbatskiy@gmail.comSurkovaYelizaveta A.СурковаЕлизавета Андреевна
Russian Federation
yelizaveta.surkova@phystech.eduBerkutAntonina A.БеркутАнтонина А.
Russian Federation
antoninaberkut@gmail.comVassilevskiAlexander A.ВасилевскийАлександр Александрович
Russian Federation
alex_vassilevski@hotmail.comLyukmanovaE. N.ЛюкмановаЕкатерина Назымовна
Russian Federation
ekaterina-lyukmanova@yandex.ruKirpichnikovMikhail P.КирпичниковМихаил Петрович
Russian Federation
kirpichnikov@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1383-3522ShenkarevZakhar O.ШенкаревЗахар Олегович
Russian Federation

prof. Zakhar Shenkarev, Ph.D., D.Sc.

Head of the Laboratory of Structural Biology of Ion Channels

д.ф.-м.н., проф. РАН, г.н.с., руководитель лаборатории Структурной биологии ионных каналов

zakhar-shenkarev@yandex.ruShemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваShemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Российской Академии наук, Москва150320211311341393011202022012021Copyright ©; 2021, Myshkin M.Y., Paramonov A.S., Kulbatskii D.S., Surkova Y.A., Berkut A.A., Vassilevski A.A., Lyukmanova E.N., Kirpichnikov M.P., Shenkarev Z.O.Copyright ©; 2021, Мышкин М.Ю., Парамонов А.С., Кульбацкий Д.С., Суркова Е.А., Беркут А.А., Василевский А.А., Люкманова Е.Н., Кирпичников М.П., Шенкарев З.О.2021Myshkin M.Y., Paramonov A.S., Kulbatskii D.S., Surkova Y.A., Berkut A.A., Vassilevski A.A., Lyukmanova E.N., Kirpichnikov M.P., Shenkarev Z.O.Мышкин М.Ю., Парамонов А.С., Кульбацкий Д.С., Суркова Е.А., Беркут А.А., Василевский А.А., Люкманова Е.Н., Кирпичников М.П., Шенкарев З.О.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11279

Voltage-gated sodium channels (NaV) have a modular architecture and contain five membrane domains. The central pore domain is responsible for ion conduction and contains a selectivity filter, while the four peripheral voltage-sensing domains (VSD-I/IV) are responsible for activation and rapid inactivation of the channel. “Gating modifier” toxins from arthropod venoms interact with VSDs, influencing the activation and/or inactivation of the channel, and may serve as prototypes of new drugs for the treatment of various channelopathies and pain syndromes. The toxin-binding sites located on VSD-I, II and IV of mammalian NaV channels have been previously described. In this work, using the example of the Hm-3 toxin from the crab spider Heriaeus melloteei, we showed the presence of a toxin-binding site on VSD-III of the human skeletal muscle NaV1.4 channel. A developed cell-free protein synthesis system provided milligram quantities of isolated (separated from the channel) VSD-III and its 15N-labeled analogue. The interactions between VSD-III and Hm-3 were studied by NMR spectroscopy in the membrane-like environment of DPC/LDAO (1 : 1) micelles. Hm-3 has a relatively high affinity to VSD-III (dissociation constant of the complex Kd ~6 μM), comparable to the affinity to VSD-I and exceeding the affinity to VSD-II. Within the complex, the positively charged Lys25 and Lys28 residues of the toxin probably interact with the S1–S2 extracellular loop of VSD-III. The Hm-3 molecule also contacts the lipid bilayer surrounding the channel.

Потенциалзависимые натриевые каналы (NaV) имеют модульное строение и содержат пять мембранных доменов. Центральный поровый домен отвечает за проводимость ионов и их селективную фильтрацию, а четыре периферических потенциалчувствительных домена (ПЧД-I/IV) отвечают за активацию и быструю инактивацию канала. «Вольт-сенсорные» токсины из яда членистоногих взаимодействуют с ПЧД, оказывая влияние на активацию и/или инактивацию канала, и могут выступать прообразами новых препаратов для лечения различных каналопатий и болевых синдромов. Токсинсвязывающие сайты, расположенные в ПЧД-I, II и IV NaV-каналов млекопитающих, описаны ранее. На примере токсина Hm-3 из яда паука Heriaeus melloteei нами показано наличие токсинсвязывающего сайта в ПЧД-III NaV1.4-канала скелетных мышц человека. Разработана система бесклеточного синтеза белка, позволяющая получать препараты изолированного (отделенного от канала) ПЧД-III и его 15N-меченого аналога в миллиграммовых количествах. Методом ЯМР-спектроскопии в мембраноподобном окружении мицелл DPC/LDAO (1 : 1) показано, что Hm-3 имеет сравнительно высокое сродство к ПЧД-III (константа диссоциации комплекса Кd ~6 мкМ), сравнимое со сродством токсина к ПЧД-I и превышающее аффинность токсина к ПЧД-II. При образовании комплекса положительно заряженные остатки Lys25 и Lys28 токсина, по-видимому, взаимодействуют с внеклеточной петлей S1–S2 ПЧД-III. При этом молекула Hm-3 также контактирует с фрагментом липидной мембраны, окружающей канал.

cell-free protein synthesisligand–receptor interactionNMR spectroscopysodium channelsgating modifier toxinsбесклеточный синтез белкавзаимодействие лиганд–рецепторЯМР-спектроскопиянатриевые каналы«вольт-сенсорные» токсиныгрант РНФRSF grant16-14-10338Catterall W.A. // J. Physiol. 2012. V. 590. P. 2577–2589.O’Malley H.A., Isom L.L. // Annu. Rev. Physiol. 2015. V. 77. P. 481–504.Cannon S.C. // Handbook Exp. Pharmacol. 2018. V. 246. P. 309–330.Xu L., Ding X., Wang T., Mou S., Sun H., Hou T. // Drug. Discov. Today. 2019. V. 24. P. 1389–1397.Stevens M., Peigneur S., Tytgat J. // Front. Pharmacol. 2011. V. 2. P. 71.Pan X., Li Z., Zhou Q., Shen H., Wu K., Huang X., Chen J., Zhang J., Zhu X., Lei J., et al. // Science. 2018. V. 362. P. eaau2486.Shen H., Liu D., Wu K., Lei J., Yan N. // Science. 2019. V. 363. P. 1303–1308.Bosmans F., Martin-Eauclaire M.F., Swartz K.J. // Nature. 2008. V. 456. P. 202–208.Männikkö R., Shenkarev Z.O., Thor M.G., Berkut A.A., Myshkin M.Y., Paramonov A.S., Kulbatskii D.S., Kuzmin D.A., Sampedro Castañeda M., King L., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2018. V. 115. P. 4495–4500.Myshkin M.Y., Männikkö R., Krumkacheva O.A., Kulbatskii D.S., Chugunov A.O., Berkut A.A., Paramonov A.S., Shulepko M.A., Fedin M.V., Hanna M.G., et al. // Front. Pharmacol. 2019. V. 10. P. 953.Berkut A.A., Peigneur S., Myshkin M.Y., Paramonov A.S., Lyukmanova E.N., Arseniev A.S., Grishin E.V., Tytgat J., Shenkarev Z.O., Vassilevski A.A. // J. Biol. Chem. 2015. V. 290. P. 492–504.Shenkarev Z.O., Paramonov A.S., Lyukmanova E.N., Shingarova L.N., Yakimov S.A., Dubinnyi M.A., Chupin V.V., Kirpichnikov M.P., Blommers M.J., Arseniev A.S. // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. P. 5630–5637.Alabi A., Bahamonde M., Jung H., Kim J.I., Swartz K.J. // Nature. 2007. V. 450. P. 370–375.