Результаты этого исследования могут помочь ученым разработать новые лекарства от боли и никотиновой зависимости.
Ядовитые лягушки несут одни из самых опасных нейротоксинов на планете. Родом из Южной Америки, существуют сотни разновидностей, среди которых десятки нейротоксинов. Внутри таких лягушек обнаружено более 800 соединений. Тем не менее, только 70 из них хорошо изучены.
Самая опасная в мире колумбийская золотая ядовитая лягушка (Phyllobates terribilis) содержит достаточно токсина, чтобы уничтожить 20 000 мышей. Долгое время оставалось загадкой, почему эти лягушки не отравляют себя. Теперь это выяснила группа ученых. И ответ может помочь нам разработать более эффективные методы лечения никотиновой зависимости и хронической боли.
Ученые из Техасского университета в Остине провели исследование. Их исследования охватывают подгруппу ядовитых лягушек, которые используют токсин под названием эпибатидин. По составу близок к морфию. Если бы вы могли взять одну лягушку, выдавить весь ее эпибатидин в стакан и скормить ее буйволу, он бы упал замертво. Яд дает этим лягушкам явное преимущество перед хищниками.
Колумбийская золотая ядовитая лягушка, самая опасная в мире. Они очень редки, находятся под угрозой исчезновения и живут на тихоокеанском побережье Колумбии. Кредит: Getty Images.
Земноводные не производят токсин сами. Вместо этого они едят определенных клещей или муравьев (источник неизвестен), которые сами по себе ядовиты. Лягушка выделяет токсин из собственной кожи. Яд настолько полезен с точки зрения выживания и эволюции, что биологи задаются вопросом, почему у большинства существ их нет. Исследователи UT обнаружили, что не каждый организм может выработать резистентность.
Ребекка Тарвин - исследователь с докторской степенью в UT Austin. Она была соавтором исследования. «Я хотела понять, как организмы могут приобретать нейротоксины, [что] требует, чтобы животное реорганизовало свою нервную систему», - сказала она. «Кажется маловероятным, что что-то подобное может развиться». Тарвин работал над проектом с профессорами Дэвидом Каннателлой и Гарольдом Законом. Их результаты были опубликованы в журнале Science.
Нейротрансмиттер ацетилхолин у этих лягушек и токсин эпибатидин связываются с одним и тем же рецептором на мембране нервной клетки. Рецептор - это, по сути, замок. Если правильное соединение попадет в рецептор, он откроется. У ядовитых лягушек генетическая мутация лишь незначительно изменила рецептор. Он достаточно отличается, чтобы эпибатидин не мог проникнуть, но достаточно похож, чтобы мог проникнуть ацетилхолин. Генетически говоря, изменения очень тонкие. Но до сих пор это происходило трижды в эволюции лягушки, доказывая, что эти изменения полезны для выживания.
Ядовитым лягушкам буквально пришлось реорганизовать свою нервную систему, чтобы переносить свой токсин. Кредит: Getty Images.
Ученые начали с сбора 28 видов лягушек из дикой природы. У некоторых был эпибатидин, у других были другие токсины, а некоторые были нетоксичными. Они секвенировали ген, который кодирует ацетилхолиновый рецептор у каждого вида. Затем каждый сравнили с эволюционным деревом лягушки, чтобы увидеть, как оно развивалось с течением времени.
Так как они есть и у нас, ученые взяли ацетилхолиновые рецепторы лягушки и применили их к клеткам человека. Они сравнили ДНК. Из 2500 аминокислот, составляющих рецептор, изменились только три. Один нейтрализовал действие яда, изменив рецептор ровно настолько, чтобы токсин не подходил.
Когда это изменение впервые произошло, лягушка не осталась незатронутой. Его нервная система замедлилась. Затем были изменены другие аминокислоты, чтобы компенсировать эту потерю времени реакции, позволив ацетилхолину снова свободно течь и, таким образом, восстановив нормальную нейротрансмиссию. По словам герпетолога и токсинолога Золтана Такача, обнаружение такого биохимического процесса происходит очень редко. Он сказал National Geographic, что открытие дало «очень редкое представление о том, как работает эволюция и как работает нейробиология».
Изучение геномов ядовитых лягушек дает ученым редкую вершину эволюционных процессов в нейробиологии. Кредит: Getty Images.
Изменение формы этих рецепторов может указывать на новые способы борьбы с болезнями. Те же самые рецепторы изменяются у людей в случаях хронической боли или никотиновой зависимости. В условиях бушующей эпидемии опиоидных болеутоляющих и широко распространенной хронической боли исследователи-медики искали обезболивающее, не вызывающее привыкания, безопасное и эффективное.
Эпибатидин был одним из возможных кандидатов, который рассматривался. Эта новая информация может помочь ученым превратить его в безопасное обезболивающее, не вызывающее привыкания. Чем лучше мы поймем, как рецепторы взаимодействуют с веществами, полезными в фармакологическом отношении, тем больше новых лекарств мы сможем разработать. Конечно, ядовитые лягушки - лишь один пример биохимической дикой природы, оставленной ученым для изучения.