Схемы замыкания дисульфидных связей в токсинах пауков семейства Ctenidae. Сравнение с предсказаниями нейросети AlphaFold 2.0

Пауки блуждающие, или пауки-бегуны (Ctenidae), имеют многокомпонентные яды, в которых идентифицировано более 500 различных пептидов и белков, названных ктенитоксинами. Основными компонентами яда являются цистеин-богатые пептиды, содержащие мотив ингибиторного цистинового узла (inhibitor cystine knot, ICK). Фармакологическое разнообразие ктенитоксинов позволяет рассматривать некоторые из них как прообразы для создания новых лекарств для лечения хронической боли, болезни Хантингтона, эректильной дисфункции и глаукомы. По расположению остатков цистеина в аминокислотной последовательности ктенитоксины разделяют на 14 групп, содержащих от шести до 14 остатков Cys. В настоящее время определена пространственная структура только одного ктенитоксина ω-CNTX-Pn4a (Phα1β или Tx3-6) бразильского странствующего паука Phoneutria nigriventer. Еще 10 структурных групп ктенитоксинов имеют гомологию с известными пространственными структурами токсинов пауков других семейств и других белков, а для трех групп структурные гомологи неизвестны. В данной работе предложены возможные схемы формирования дисульфидных связей для всех групп ктенитоксинов. Сравнение полученных схем с предсказаниями программы AlphaFold 2.0 показывает, что эта нейронная сеть не всегда корректно предсказывает структуры цистеин-богатых пептидов, особенно если моделируются структуры зрелых молекул без лидерных последовательностей.

1. Richardson M., Pimenta A.M.C., Bemquerer M.P., Santoro M.M., Beirao P.S.L., Lima M.E., Figueiredo S.G., Bloch C. Jr., Vasconcelos E.A.R., Campos F.A.P., Gomes P.C., Cordeiro M.N. Comparison of the partial proteomes of the venoms of Brazilian spiders of the genus Phoneutria. Comp. Biochem. Physiol. C Toxicol. Pharmacol. 2006;142(3–4):173–187.

2. Diniz M.R.V., Paiva A.L.B., Guerra-Duarte C., Nishiyama M.Y., Mudadu M.A., Oliveira U., Borges M.H., Yates J.R., Junqueira-de-Azevedo I.L. An overview of Phoneutria nigriventer spider venom using combined transcriptomic and proteomic approaches. PloS One. 2018;13(8):e0200628.

3. Brewer M.S., Cole T.J. Killer knots: Molecular evolution of inhibitor cystine knot toxins in Wandering spiders (Araneae: Ctenidae). Toxins. 2023;15(2):112.

4. Cardoso F.C., Walker A.A., King G.F., Gomez M.V. Holistic profiling of the venom from the Brazilian wandering spider Phoneutria nigriventer by combining high-throughput ion channel screens with venomics. Front. Mol. Biosci. 2023;10:1069764.

5. Peigneur S., Lima M.E., Tytgat J. Phoneutria nigriventer venom: A pharmacological treasure. Toxicon. 2018;151:96–110.

6. Lyukmanova E.N., Mironov P.A., Kulbatskii D.S., Shulepko M.A., Paramonov A.S., Chernaya E.M., Logashina Y.A., Andreev Y.A., Kirpichnikov M.P., Shenkarev Z.O. Recombinant production, NMR solution structure, and membrane interaction of the Phα1β toxin, a TRPA1 modulator from the Brazilian armed spider Phoneutria nigriventer. Toxins. 2023;15(6):378.

7. Tonello R., Fusi C., Materazzi S., Marone I.M., Logu F., Benemei S., Goncalves M.C., Coppi E., CastroJunior C.J., Gomez M.V., Geppetti P., Ferreira J., Nassini R. The peptide Phα1β, from spider venom, acts as a TRPA1 channel antagonist with antinociceptive effects in mice. Br. J. Pharmacol. 2017;174(1):57–69.

8. Kozlov S., Grishin E. Classification of spider neurotoxins using structural motifs by primary structure features. Single residue distribution analysis and pattern analysis techniques. Toxicon. 2005;46(6):672–686.

9. Leaver-Fay A., Tyka M., Lewis S.M., et al. ROSETTA3: an object-oriented software suite for the simulation and design of macromolecules. Methods in Enzymology. Computer Methods, Part C. Vol. 487. Eds. M.L. Johnson and L. Brand. Academic Press; 2011:545–574.

10. Shen Y., Maupetit J., Derreumaux P., Tufféry P. Improved PEP-FOLD approach for peptide and miniprotein structure prediction. J. Chem. Theor. Comput. 2014;10(10):4745–4758

11. Jumper, J., Evans, R., Pritzel, A., et al. Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature. 2021;596(7873):583–589.

12. Baek M., DiMaio F., Anishchenko I., et al. Accurate prediction of protein structures and interactions using a threetrack neural network. Science. 2021;373(6557):871–876.

13. Mirdita M., Schütze K., Moriwaki Y., Heo L., Ovchinnikov S., Steinegger M. ColabFold: making protein folding accessible to all. Nat. Methods. 2022;19(6):679–682.

14. Koradi R., Billeter M., Wüthrich K. MOLMOL: a program for display and analysis of macromolecular structures. J. Mol. Graph. 1996;14(1):51–55.

15. Nadezhdin K.D., Romanovskaia D.D., Sachkova M.Y., Oparin P.B., Kovalchuk S.I., Grishin E.V., Arseniev A.S., Vassilevski A.A. Modular toxin from the lynx spider Oxyopes takobius: Structure of spiderine domains in solution and membrane-mimicking environment. Protein Sci. 2017;26(3):611–616.

16. Titaux-Delgado G., Carrillo E., Mendoza A., Mayorga-Flores M., Escobedo-González F.C., CanoSánchez P., López-Vera E., Corzo G., Del Rio-Portilla F. Successful refolding and NMR structure of rMagi3: A disulfide-rich insecticidal spider toxin. Protein Sci. 2018;27(3):692–701.

17. Korolkova Y., Maleeva E., Mikov A., Lobas A., Solovyeva E., Gorshkov M., Andreev Y., Peigneur S., Tytgat J., Kornilov F., Lushpa V., Mineev K., Kozlov S. New insectotoxin from Tibellus oblongus spider venom presents novel adaptation of ICK fold. Toxins. 2021;13(1):29.

18. Santos A.D., Imperial J.S., Chaudhary T., Beavis R.C., Chait B.T., Hunsperger J.P., Olivera B.M., Adams M.E., Hillyard D.R. Heterodimeric structure of the spider toxin omega-agatoxin IA revealed by precursor analysis and mass spectrometry. J. Biol. Chem. 1992;267(29):20701–20705.