Токсины медуз увеличивают число ионных каналов в клетке

Рис. 1. Медуза Pelagia noctiluca. Фото с сайта pinterest.com

Группа ученых из Италии и Австрии выяснила, почему ожог медузы так неприятен. Оказалось, что токсины медузы пелагии ночесветки (Pelagia noctiluca), распространенной в прибрежных водах теплых и умеренных широт, меняют проводимость клеточных мембран млекопитающих. При обработке этими токсинами нарушается естественная система поддержания клеточного объема. В результате клетки набухают и разрушаются. Ученым удалось показать, что через плазматическую мембрану клеток, подвергшихся воздействию токсинов, внутрь клетки усиленно поступают ионы Na⁺ и вода. Набухание и разрушение клеток можно остановить с помощью блокаторов натриевых каналов. Благодаря этим данным можно будет найти эффективное средство от ожогов медуз. Кроме того, способность этих токсинов избирательно повышать проводимость клеточных мембран может быть использована и в других разделах как прикладной, так и экспериментальной медицины.

Так называемые роения медуз, вспышки их численности, всегда неприятны для купальщиков. В зависимости от вида медузы ожоги могут иметь разные по характеру и серьезности последствия: от легкого раздражения до угрожающего жизни сердечно-сосудистого коллапса. Большинство медуз не опасны для здорового человека, но всё же встреча с ними удовольствия не приносит. Так, например, медуза кассиопея (см. картинку дня Перевернутая медуза) создает вокруг себя нечто вроде «жгучих водных облаков». Особенно дурную славу имеют кубомедузы (о них см. также Для чего медузам сложные глаза?, «Элементы», 12.10.2006).

Так как же жалят медузы? Все дело в так называемых стрекательных клетках, или книдоцитах — именно они являются общим характерным признаком медуз и их родственников, из-за них тип и называется стрекающие. Стрекательная клетка имеет стрекательную капсулу и чувствительный волосок — книдоциль (рис. 2а). Во всех стрекательных капсулах имеется ввернутая внутрь скрученная спиралью нить. Отклонение книдоциля от его нормального положения при контакте с предполагаемой добычей активирует стрекательную капсулу, в результате под действием высокого внутреннего давления стрекательная нить выворачивается наружу с большой скоростью (рис. 2б-г). Этот процесс занимает всего 3 миллисекунды. Любая стрекательная клетка используется только один раз.

Рис. 2. Основные типы стрекательных капсул: пенетрант, глютинант и вольвент. а — стрекательная клетка полностью: 1 — книдоциль, 2 — стилеты, 3 — стрекательная нить, 4 — клеточное ядро, 5 — основание нити; б–г — выворачивание нити пенетранта; она оснащена острыми стилетами и при выстреле пробивает покровы тела жертвы, заякориваясь в них; д — глютинант обладает клейкой нитью и приклеиваются к жертве; е — вольвент опутывает жертву. Рисунок из книги: И. Х. Шарова. Зоология беспозвоночных: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002. — 592 с.

Стрекательная капсула может содержать смесь токсинов, которые вводятся в тело жертвы при выстреле стрекательной нити (рис. 3). Природа и механизм действия этих токсинов пока плохо изучены, они зависят от вида медузы и типа стрекательной капсулы. Однако уже сейчас можно предполагать, что эти токсины найдут свое применение в качестве инсектицидов, акарицидов и т. п. А уникальная способность некоторых из этих токсинов действовать избирательно, только на определенные типы клеток, делает возможным их применение в терапевтических целях, например в качестве обезболивающего. С другой стороны, все эти полезные свойства и возможные применения не могут быть воплощены в жизнь, пока не известен точный механизм действия стрекательных ядов.

Рис. 3. Механизм введения токсинов в тело жертвы с помощью стрекательной клетки. Рисунок из книги: Д. В. Орлов, М. В. Сафонов, 2001. Акваланг и подводное плавание

Собственно, ожог — это разрушающее действие яда медузы на клетки. Если в нормальных условиях клетку поместить в гипотонический раствор (с пониженным содержанием солей), то ее объем сначала несколько увеличивается (это так называемая осмотическая стадия), а затем уменьшается до прежнего состояния. Возвращение к начальному объему происходит за счет активного транспорта ионов Cl^– и K⁺ из клетки. А вот при ожоге от медузы этой второй стадии — регуляторного уменьшения объема клетки — не происходит: клетка разбухает всё больше и в конце концов разрывается.

Требовалось понять, почему яд мешает восстановлению обычного объема клетки. Этим вопросом занялись исследователи из Мессинского университета (Италия) и Парацельсовского медицинского университета в Зальцбурге (Австрия). Они исследовали яд сцифомедузы пелагии ночесветки (Pelagia noctiluca), которую часто называют «розовато-лиловое жало» (рис. 1). В Средиземном море эта медуза является самой распространенной причиной ожогов под водой.

Для анализа воздействия токсинов исследователи помещали клетки экспериментальных клеточных культур (человеческие HEK 293 Phoenix и HeLa и мышиные NIH/3T3) в растворы, содержащие яд стрекательных клеток медузы. Сами же стрекательные клетки в эксперименте не использовались. При концентрации яда более 0,04 мкг/мкл абсолютно все клетки быстро погибают, а концентрация 0,025 мкг/мкл приводит к набуханию клеток всех линий, как в гипотоническом, так и в изотоническом растворе (рис. 4d), но не разрушает их полностью. При этой концентрации яда клетки не восстанавливают свой прежний объем (рис. 4а–с). Интересно, что действие токсинов сохраняется даже в том случае, когда обработанные ядом клетки перемещаются потом в гипотонический раствор, не содержащий яда. Мы видим длительное последействие яда: отсутствие нормальной регуляции клеточного объема. Клетка не в состоянии управлять ионными потоками, чтобы за счет осмоса избавиться от лишней воды.

Рис. 4. Влияние яда пелагии на изменение объема клеток (на примере HEK 293 Phoenix). V — объем клетки, V₀ — средний объем той же клетки в изотоническом растворе, Vmax — максимальный объем клетки за весь эксперимент; iso — изотонический раствор, hypo — гипотонический раствор; светло-серая полоса — осмотическая стадия, темно-серая полоса — стадия регуляторного уменьшения объема клетки, черная полоса — присутствие яда в растворе. a — яд сразу добавлен в гипотонический раствор; b — яд добавлен через 5 минут после помещения клеток в гипотонический раствор; c — обработка ядом предшествовала помещению клеток в изотонический раствор; d — изменение объема клеток в изотоническом растворе; e — зависимость объема клеток от концентрации стрекательного яда. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Чтобы узнать, почему клетки теряют способность к восстановлению своего объема, ученые решили измерить ионные токи, идущие через мембраны клеток. Все измерения проводились при концентрации стрекательного яда 0,025 мкг/мкл. Понятно, что ученых в первую очередь интересовали ионы Cl^– и K⁺; кроме того, исследователи измерили и проанализировали токи Ca²⁺, Mg²⁺ и Na⁺.

Яд, как выяснилось, не менял тока ионов Cl^– и K⁺ из клетки, то есть не блокировал работу системы регуляторного уменьшения объема клеток. Также постоянными оставались и токи двухвалентных ионов. А что же тогда происходит? Оказалось, что резко увеличивается поток ионов Na⁺ внутрь клетки. Вслед за потоком натрия в клетку идет вода, клетка разбухает и лопается. Участие натриевых токов подтвердили с помощью обработки клетки блокаторами натриевых (алмилоридом, см. Amiloride) и хлоридных/анионных (мозговым натрийуретическим пептидом и DIDS) каналов (см. Ионные каналы). Ионные токи оказались относительно устойчивы к блокаторам хлоридных каналов, однако резко ослабевали при обработке клеток блокатором натриевых каналов. Совместное действие блокаторов натриевых и хлоридных каналов полностью нейтрализовало действие яда. Также в растворах без соли NaCl яд на клетки не действовал, а добавление NaCl в присутствии яда вызывало у клеток осмотический шок. Всё это логично увязывается в картину действия токсинов медузы. Яд вызывает поступление ионов натрия в клетки, а за счет осмотических сил в клетки поступает вода. Токи калия и хлора, активированные системой регуляторного уменьшения объема клетки, не способны скомпенсировать поступление воды, что и приводит к разрыву клеток.

Еще один важный момент, выявленный в ходе экспериментов, состоит в том, что после кипячения действие стрекательного яда полностью нейтрализуется. Термическая обработка, по-видимому, разрушает активное вещество стрекательного яда и делает его безопасным для клеток млекопитающих. Это говорит о том, что активное вещество, по всей вероятности, имеет белковую природу.

Каков механизм действия этого вещества? Было выдвинуто две гипотезы. Первая состоит в том, что активное вещество стрекательного яда непосредственно связывается с мембраной клетки и формирует натриевые каналы. Вторая гипотеза, напротив, предполагает активацию уже существующих натриевых каналов через связывание активного вещества с внеклеточными канальными рецепторами. Различить эти механизмы непросто, но решение всё же было найдено. Исследователи с помощью микропипетки ввели раствор яда внутрь клетки, устранив таким образом возможность участия внеклеточных рецепторов. Яд, введенный внутрь клетки, подействовал: через мембрану пошел ток натрия. Следовательно, яд медузы действует на клетки не путем активации существующих натриевых каналов, а через образование новых. Эту гипотезу подтверждает также и линейная зависимость степени набухания клетки от концентрации яда (рис. 4 е). Явление насыщения, неизбежное при воздействии на ограниченное число ионных каналов, в данном случае не наблюдается. И это еще один кусочек сложной биохимической мозаики.

А мы теперь вооружены знанием о том, как действует яд этих медуз: что дело тут в образующем поры веществе белковой природы, приводящем к осмотическому набуханию и разрушению клеток. Полученные данные о том, какие условия способны предотвратить создание новых ионных каналов, пригодятся для разработки средств от ожогов. А для искушенных читателей полезно будет узнать, что вареная медуза (по крайней мере, именно этого вида) может быть употреблена в пищу без риска получить ожог стрекательными ядами.

Источник: Rossana Morabito, Roberta Costa, Valentina Rizzo, Alessia Remigante, Charity Nofziger, Giuseppa La Spada, Angela Marino, Markus Paulmichl & Silvia Dossena. Crude venom from nematocysts of Pelagia noctiluca (Cnidaria: Scyphozoa) elicits a sodium conductance in the plasma membrane of mammalian cells // Scientific Reports. 2017. V. 7. Article number: 41065. Doi: 10.1038/srep41065.

Алёна Сухопутова