Forscher identifizieren Protein, das wichtigen Giftstoffen von Klapperschlangen entgegenwirkt

Giftschlangen verursachen jedes Jahr weltweit schätzungsweise 120.000 Todesfälle und 400.000 behinderte Verletzungen, wobei allein in den Vereinigten Staaten etwa 8.000 Fälle von Schlangenbissen auftreten.

Um die Schwere von Giftschlangenbissen zu reduzieren und abzumildern, hat ein Team von Biologen der University of Maryland eine Untersuchung des Genoms der Westlichen Klapperschlange (Crotalus atrox) gestartet, einer Art, in deren Genom mehr Giftstoffe kodiert sind als bei jeder anderen bekannten Klapperschlange. Das Team identifizierte ein einzelnes Protein namens FETUA-3, das ein breites Spektrum von Klapperschlangengift-Toxinen hemmt.

Veröffentlicht im Proceedings of the National Academy of Scienceshaben die Ergebnisse des Teams bemerkenswerte Auswirkungen auf die Entwicklung verbesserter Schlangenbissbehandlungen.

„Eine gute Behandlung von Schlangenbissen muss in der Lage sein, den Giften von mehr als nur einer Schlangenart entgegenzuwirken“, sagte der leitende Autor der Studie, Sean Carroll, ein angesehener Universitätsprofessor für Biologie an der UMD und Vizepräsident für naturwissenschaftliche Bildung am Howard Hughes Medical Institut (HHMI).

„FETUA-3 hemmte eine große Anzahl von Toxinen – über 20 – die wir entdeckten und sogar an die Gifte mehrerer anderer von uns getesteter Klapperschlangen gebunden und gehemmt haben. Wir müssen mehr darüber erfahren, wie breit FETUA-3 angewendet werden kann oder wenn es zusätzliches Herumbasteln erfordert, aber zu wissen, dass dieses eine Protein eine ganze Klasse von Toxinen neutralisieren kann, bringt die Forscher der Entwicklung eines besseren Gegengifts noch näher.“

Ein naturkundliches Mysterium

Laut Carroll begann die Forschung des Teams mit einem einfachen, aber faszinierenden Rätsel, das den Forschern lange entgangen ist: Wie und warum sind Giftschlangen resistent gegen ihr eigenes Gift?

„Es ist wie ein ständiges biologisches Wettrüsten in drei Richtungen, bei dem jede Seite immer innovativ ist, um die andere zu besiegen“, erklärte Carroll, der auch der Andrew and Mary Balo and Nicholas and Susan Simon Endowed Chair an der UMD ist.

„Um einen giftigen Schlangenbiss zu überleben, muss die Beute eine Resistenz gegen das Gift entwickeln. Wenn die Beute ein wenig resistent wird, müssen sich die Schlangen mit einem besseren Gift anpassen. Aber Schlangen waren auch in der Lage, sich vor ihrem eigenen sich entwickelnden Gift zu schützen während ihres Wettrüstens gegen Beute – unser Ziel war es, genau herauszufinden, wie.“

Die meisten Schlangengifte tragen ein Arsenal an gefährlichen Toxinen, die die Lähmung, Tötung und Verdauung von Beute erleichtern. Eine der Kernkomponenten im Klapperschlangengift ist eine Klasse von Molekülen namens Metalloproteinasen, die die Bildung von Blutgerinnseln verhindern, Gewebe abbauen und letztendlich Blutungen verursachen. Um sich vor diesen Toxinen zu schützen, verlassen sich sowohl Schlangen als auch ihre Beute auf spezielle Proteine, die in ihrem Genom kodiert sind und die schwächenden Wirkungen des Giftes unterdrücken.

Die Forscher untersuchten eine Familie von fünf Proteinen, die allgemein der Giftresistenz zugeschrieben werden. Unerwarteterweise hatte nur ein einziges Mitglied der Proteinfamilie den größten Teil der gifthemmenden Aktivität – FETUA-3 – und bindet fast alle Toxine im Gift des Westlichen Diamantrückens. Es band auch an und hemmte die Giftstoffe von mehreren anderen Klapperschlangen.

Nachdem sie die evolutionären Ursprünge von FETUA-3 aufgespürt hatten, stellten die Forscher überrascht fest, dass FETUA-3 zwar in den nächsten asiatischen und südamerikanischen Verwandten der westlichen Diamantrücken-Klapperschlange vorkam, ein anderes Protein aus derselben Familie jedoch dafür verantwortlich war, sie vor Giftstoffen zu schützen .

Mit anderen Worten, die Klapperschlangen entwickelten ihre Resistenz durch zwei getrennte genetische Ereignisse. Die Entdeckung deutet darauf hin, dass irgendwo in der evolutionären Zeitachse der Art eine große evolutionäre Verschiebung stattgefunden hat, die dazu führte, dass sich die Familie der Inhibitoren über die gesamte Crotalus-Linie ausdehnte und diversifizierte.

Mit diesem neuen Wissen gewann das Team einen Einblick, wie ökologische Situationen Innovationen und „Wettrüsten“ bei Tieren wie Klapperschlangen und ihrer Beute vorantreiben. Sie hoffen, dass ihre Ergebnisse den Forschern helfen werden, mehr darüber zu erfahren, wie FETUA-3 und andere sich entwickelnde Toxin-blockierende Proteine ​​als Zutaten für wirksamere Behandlungen von Schlangenbissen dienen können.

„Viele derzeitige Behandlungen, die veraltete Technologien und Gegengifte verwenden, haben Nachteile, einschließlich unterschiedlicher oder fehlender Wirksamkeit, Verunreinigungen, die Nebenwirkungen auslösen, und Herstellungsinkonsistenzen“, sagte die Hauptautorin der Studie, Fiona Ukken, eine besuchende Fakultätsspezialistin am Department of Biology der UMD und HHM. „Aber indem wir unser Verständnis der molekularen Grundlagen der Gifthemmung verbessern, können wir dazu beitragen, neuartige und wirksamere therapeutische Behandlungen zu entwickeln.“