A C T A U N I V E R S I T A T I S L O D Z I E N S I S
F O L IA B IO C H IM IC A E T B IO P H Y S IC A 14, 1999
Z o fia W alter
BUDOWA TOKSYN CYJANOBAKTERII
W p ra cy zo stała p rz ed sta w io n a s tru k tu ra n eu ro to k sy n i h e p a to to k sy n - to k sy n p ro d u k o w a n y ch przez cy ja n o b ak terie. P o n a d to o m ó w io n o p rzypuszczalny m echanizm ich d ziałan ia.
W S T Ę P
P om im o, że p ro d u k o w an ie toksyn przez cyjano bakterie zw ane daw niej sinicam i jest znane od bard zo d aw n a (pierwsze opisane zjaw isko za tru cia przez to ksyny sinicowe pochodzi z ro k u 1878), fak t ten budzi o statn io co raz w iększe zainteresow anie badaczy. T oksyny cyjan ob akterii stan o w ią znaczne zagrożenie z a tru w an ia wody w czasie intensyw nego p o ra s ta n ia przez nie zb io rn ik ó w w odnych, zarów no pew nych odcinków rzek i jezio r [2, 11], ja k i zbiorników zaporow ych stanow iących źródła w ody pitnej [33],
D e g rad acja cykli biogeochem icznych i hydrologicznych w w yniku d ziałal ności człow ieka jest jednym z podstaw ow ych zagrożeń dla biosfery, a przede w szystkim d la jak o ści zasobó w w odnych [43], Jed n y m z najw iększych p ro b lem ó w jest nasilenie zanieczyszczeń obszarow ych o raz zjaw iska tzw. w tó rn eg o zanieczyszczenia zbio rn ik ó w w odnych n a sk u tek eutrofizacji w ód. N ajgroźniejszym efektem eutrofizacji jest właśnie w ystępow anie toksycznych zakw itów sinicow ych [28, 43], M ia rą wagi tego p ro b lem u jest uznanie pow yższego zagadnienia za p rioryteto w e w m iędzyn arodo w y m p ro g ram ie hydrologicznym (U N E S C O IH P 1996-2001 r.) „E coh yd rolog y” [43], P ro g ram ten m a n a celu konsolidację p ra c zespołów z różnych o śro d k ó w nau kow ych i zapew nienia kom pleksow ego i in terdyscyplinarnego c h a ra k te ru b ad a ń .
W ostatnich latach została zb a d an a s tru k tu ra wielu tok syn cyjanobakterii, co niew ątpliw ie przyczyni się d o p o z n a n ia m echanizm ów ich d ziałan ia i poszerzenia wiedzy n a ten tem at. P om im o to d an e n a ten te m a t n ad a l w ydają się fragm entaryczne i niedostateczne, szczególnie ze w zględu n a fa k t, że o b o k ostrej toksyczności, przyjm ow anie b ard zo niew ielkich d aw ek tych
toksyn m oże w ykazyw ać działanie genotoksyezne, a także być czynnikiem ra ko tw órczy m . W łaśnie ten proces, zw iązany z toksycznością przew lekłą, jest w m ałym stopniu poznany.
J a k o pierw sza z b a d a n a pod w zględem chem icznym zo sta ła to k sy n a z Anabaena flos-aąuae - an a to k sy n a a. Jest to alkaloid o silnym d ziałan iu biologicznym , szczególnie na k o m ó rk i u kład u nerw ow ego. P ozn an ie jej stru k tu ry dało początek po znaniu całego szeregu zw iązków p ro d u k o w a n y ch przez cyjanobakterie, w ydzielonych ja k o g ru p a n eu ro to k sy n [11, 12, 18],
N eu ro to k sy n y to alkaloidy oddziałujące n a układ nerw ow y, należące do jed n y ch z najbardziej toksycznych substancji p ro d u k o w an y ch przez sinice. P o w o d u ją śm ierć w ciągu kilku sekund d o kilku m in u t pop rzez p orażenie u k ład u oddechow ego. N eu ro to k sy n y są w ytw arzane głów nie przez trzy ro dzaje sinic: Anabaena, Aphanizom enon o raz Oscillatoria [29]. D o ty chczas z o stała p o zn a n a szczegółow a b u d o w a czterech neuroto ksy n: a n a to k sy n y a, a n a to k sy n y a (s), saksitoksyny o ra z neosaksitoksyny. Te dw ie ostatn ie p ro d u k o w a n e są nie tylko przez cy janobak terie, ale rów nież przez n iektó re bruzdnice m orsk ie (D inojlagellata). S tru k tu ra w ym ienionych tok syn została przedstaw iona na rys. 1-4. Budowa anatoksyny a wykazuje stru kturę po d o b n ą d o acetylocholiny. Z w iązek reaguje z re cep to ra m i acety lo ch o lin o w y m i, a szczególnie z receptoram i nikotynow ym i acetylocholiny. Jest całkow icie o p o rn y na działanie esterazy acetylocholinow ej i pozostaje w organizm ie, pow odując nieustanne pobudzenie mięśni, prow adzące do paraliżu i nieuchron nej śmierci. P o d o b n e działanie w ykazuje a n a to k sy n a a (s). R ó w n ież sak- sito k sy n a i n eosaksitoksyna przeryw ają połaczenia pom iędzy n eu ro n am i
N E U R O T O K S Y N Y
O
R ys. 2. S tru k tu ra a n a to k sy n y -a (s) R ys. 1. S tru k tu ra a n ato k sy n y -a
i m ięśniam i, ale m echanizm ich działania jest inny. B lokują uw alnianie acetylocholiny przez neurony, w w yniku zah am o w an ia w pływ ania jo n ó w sodu przez k an a ły błonow e. [1, 25, 32].
A n a to k sy n a a (s) jest natu raln y m fosforanem organicznym o budow ie podobnej do syntetycznych środków ow adobójczych, takich ja k np.: p aratio n , d ich lo rfo s i m alatio n , czy też gazów bojow ych - so m an u i sarinu. Jest to o b o k w ystępującego w Streptom yces antibioticus D S M , drugi ja k d o tą d w ykryty n atu ra ln y związek fosforoorganiczny. B ad an ia p rzep ro w ad zo n e w wielu o śro d k a ch [2, 10, 15, 19, 24, 30, 31, 40] ja k i b a d a n ia p ro w ad zan e od wielu lat w K ated rze G enetyki M olekularnej U Ł , w ykazały m u tag en n y i genotoksyczny wpływ insektycydów fosforoorganicznych. P o w o d u ją one ab e rracje chrom osom ow e, m utacje, są czynnikam i terato g en n y m i, a także kancerogennym i [14, 22, 36], Pow odują zaburzenia w przekazyw aniu inform acji
genetycznej podczas procesu transkrypcji [38] m etylację zasad azotow ych i degradację D N A n a poziom ie stru k tu ry d ru g o - i trzeciorzędow ej [4 8, 26, 37, 39, 41]. Syntetyczne związki fosforo org aniczn e są rozpuszczalne w tłu sz czach i w ykazują tendencję do grom adzen ia się w b łonach k o m órk ow ych i innych bogatych w lipidy s tru k tu ra c h organizm u ludzkiego o ra z innych kręgow ców [3-9], A n a to k sy n a a (s) jest w o dróżnien iu od insektycydów fosforoorganicznych rozpuszczalna w wodzie i łatwo przenika do uwodnionych s tru k tu r kom órkow ych.
H E P A T O T O K S Y N Y
H epatotoksyny są substancjam i uszkadzającym i głównie k om ó rk i w ątroby. Najczęściej w ystępującym i h ep ato to k sy n am i cy jan ob akterii są m ikrocystyny. P ozn an e jest oko ło 60 różnych m ikrocysty n [11]. C h ara k te ry zu je je p o d o b n a b udow a. Są to cykliczne peptydy u tw orzone z 7 cząsteczek am ino kw asów . P ro d u k o w an e są one głównie przez sinice z rodzaju M icrocystis i Anabaena. N a zw a ich z o sta ła u tw o rz o n a od ro d z a ju M icrocistis. B u d o w a jed nej z m ik ro cy sty n zo stała p rzedstaw iona n a rys. 5. Ich toksyczność jest znacznie wyższa niż strychniny i cyjanku sodu, a ich śm iertelne d ziałanie w w yniku uszkodzeń k o m ó rek w ątrob y zostało stw ierdzone u zw ierząt (bydło, p tak i, zw ierzęta dzikie). U ludzi stw ierdzono po niewielkich d aw k ach tak ie objaw y jak : w ysypka n a sk ó rn a , gorączka, wym ioty, biegunka, ostre uszkodzenie w ą tro b y [29], W y kazano [16], że system atyczne przyjm ow anie m ałych daw ek h e p a to to k sy n przy spożyciu w ody ze zbiornika, w k tó ry m w y stępują zakw ity sinico we prow adzi do zaburzeń w układzie pokarm ow ym , m oże zapoczątkow ać no w o tw o ry w ątroby, krw aw ienie, nekrozę, [29] i ap o p to zę w k o m ó rk ac h hep ato cy tó w [42]. P o n a d to stw ierdzono, że ich genotoksyczność jest znacznie w iększa aniżeli benzenu [20]. Z b ad a n y był rów nież k an cero genn y efekt in
vitro d ziałania h ep a to to k sy n na k o m ó rk i ludzkie w hodow li [17, 35]. Istnieją
w literatu rze d an e epidem iologiczne o licznych p rzy p ad k ac h pierw otnych no w o tw o ró w w ątroby skorelow anych z obecnością m ik ro cy sty n w w odzie pitnej [17, 35], M ikrocystyny w yw ołują aberracje ch ro m o so m o w e w lim fo cy tach ludzkiej krwi obw odow ej. Stw ierdzone uszkodzenia to: złam ania o ra z p ęk n ięcia c h ro m a ty d o w e i ch ro m o so m o w e , a ta k ż e w y stęp o w an ie pojedyńczych chrom osom ów dicentrycznych i w ym iany c h ro m a ty d [27], W y kazano rów nież, że m ikrocystyny ham u ją aktyw ność fo sfataz białkow ych
in vitro [34], H a m o w an ie to jest porów nyw alnie silne i specyficzne ja k
w p rz y p ad k u p ro m o to ra now otw orow ego - kw asu o k ad ain o w eg o , k tó ry przyczynia się d o hyperfosforylacji czynników transkry pcy jn ych lub białek regulatorow ych [13, 17]. P o d o b n e efekty w ykazują n o d u lary n y zb u d o w an e z 5 am inok w asów , w ytw arzane przez cy jan o b ak terie z rod zin y Nodularia.
c h3 O
^ C \
HN N H2
R ys. 5. B u d o w a m irystyny z M icrocystis aeruginosa
COOH
NH
HN N H2
B u d o w a n o d u la ry n zo sta ła p rz ed staw io n a n a rys. 6. W ko nsek w en cji h a m o w a n ia fo sfa taz n astęp u je w zrost fosforylacji białek , co p o w o d u je dezorganizację regulacji zarów no kinaz, ja k i fosfataz. P raw d o p o d o b n ie hyp erfosforylacja czynników transkry pcy jn ych lub białek reg ulatorow y ch m oże pob u d zać silną ekspresję genów prow adząc d o inicjacji no w o tw o ru [17].
O ptym istycznym akcentem b ad a ń to ksy n cy jan ob ak terii jest m ożliw ość w ykorzystania ich zm odyfikow anych form w leczeniu lub atenuacji niektórych schorzeń (choroba Alzheim era, m iastenia). Stanow ią także doskonałe narzędzie badaw cze w eksperym entach m odelow ych.
N eurotoksyny i hepatotoksyny nie są jedynym i toksynam i p rodukow anym i przez cyjanobakterie. W ytw arzają one rów nież szereg cy to to ksy n, k tó re nie są om aw iane w niniejszym opracow aniu.
L IT E R A T U R A [1] A m a r M , T h o m a s P , J o h n s o n C , L u n t G. G , W o n n a c o 1 1 S. (1993), F E B S L e tt 327, 284-288. [2] A n t u n e s - M a d e i r a M . C , A l m e i d a L. M , M a d e i r a V , M . C. (1990), Biochim . B iophys. A cta 1022, 110-114. [3] B ł a s i a k J. (1993), A cta B ioch. P o lo n . 40, 35-38. [4] B ł a s i a k J. (1995), C om p. B iochem . Physiol. 110, 15-21. [51 B ł a s i a k J. (1996), F o lia B iochim . B iophys. 11, 73-79. [6] B ł a s i a k J. (1996), Cell. M olec. Biol. L e t t , 1, 439-446.
[7] B ł a s i a k J. J a ł o s z y ń s k i P , T r z e c i a k A , Szyfter K , (1998), M u t. R es.
[8] B ł a s i a k J , T r z e c i a k A , J a ł o s z y ń s k i P , S z y f t e r K , O s i e c k a R , B ł a s z c z y k A . (1997), M olec. Cell. Biol. L e t t , 2, 389-397.
[9] B ł a s i a k J , W a l t e r Z. (1992), A cta B ioch. P olon. 39, 49-52. [10] B e c h e r a B. C , B h u m y S. P. (1987), T oxicol. L ett. 27, 269-277. [11] C a r m i c h a e l W . W. (1994), Sci. A m er. 270, 78-86.
[12] C a r m i c h a e l W. W , F a l c o n e r J. R. (1993), A lgal Toxins in S eaford and Drinking
W aler, ed. J. R . P a l e o n e r , A cad em ic Press.
[13] C o d d G. A , B e a t t i e K . A. (1991), P H L S M icro b . D ig. 8, 82-85. [14] C z a j k o w s k a A , W a l t e r Z. (1980), H u m . G en et. 56, 189-194.
[15] D o l a r a P , T o r r i c e l l i F „ A n t o n e l l i N. (1994) M u ta t. R es. 325, 47 -5 1 . [16] F a l c o n e r I. R. (1994), Toxins, et. al. 3-10.
[17] F u j i k i H , S u e o k a E , S u g a n u m a M. (1996), Carcinogenesis o f m icrocystis, [w:]
T oxic M icro cystis ed.: M . F . W a t a n a b a , K. H a r a d a , W. W. C a r m i c h a e l ,
H. F u j u k i , C R C Press, B oca R a to m , N ew Y o rk , L o n d o n , T o k y o , 203-232. [18] H a l l e g r a e f G . M. (1993), P hycologia, 32, 79-99.
[19] H e a t h A. G , C e c h J. J , Z i n k l J. G , F i n a l a y s o n B , F u j i m u r a R. (1993), A m . F isheries Soc. Sym p. 14, 17-28.
[20] K e e v i l C. W . (1991), P H L S M ic ro b io l, D igest 8, 91-95.
[21] L a h t i K , R a p a l a J , F a r d i g M , N i e m e l a M , S i v o n e n K . (1997), W at. R e s , 31, 1005-1012.
[22] M a l i n o w s k a A , W a l t e r Z. (1983), B ro m at. C hem . T o k sy k o l. X V I, 3 -4 . [23] M a r t e n s P. A , C l a y t o n D . A. (1979), J. M ol. B io l, 135, 327-351.
[24] M a t h e w G. , V i j a y a l a x a m i K . K ., A b d u l - R a h i m a n M. (1992), M u la t R es., 280, 169-173.
[25] M o l l o y L „ W o n n a c o t t S., G a l l a g h e r T „ B r o u g h P. A , L i v e l B. G . (1995), E ur. J. P h arm . (M olec. P h arm ae . Sect.), 289, 447-453.
[26] O l i r i s k i R. , W a l t e r Z. , W i a d e r k i e w i c z R. , L u k a s o v a E., P a l e c e k E. (1980), R a d ia t. E n viron. B iophys., 18, 65-72.
[27] O s i e c k a R. , K o n t e k R. , B ł a s z c z y k A. , T a r c z y ń s k a M. , Z a l e w s k i M. (1996), Konferencja Biologii Kom órki, L ublin.
[28] R a p a l a J., L a h t i K.., S i v o n e n K.., N i e m e l a M. (1994), L ett. A p p l. M icro b io l.,
19, 423-428.
[29] R e s s o m R. , S a a n S o n g F. , F i t z g e r a l d J., T u r c z y n o w i c z L., E l S a a d i O., R o d e r D. , M a y n a r d T., F a l c o n e r I. (1994), [w:] Healta Effects of Toxic Cyanobacteria
(Blue - Green A lg a e), 27-69, A u s tra lia n G o v e rtn m e n t P ublish Service.
[30] R e u b e r M. D . (1985), E n v iro n . Res., 37, 119-153. [31] S k o r p a n Y. G . (1986), T ocsicol. G en et., 20, 262-266.
[32] S o l i a k o v L., W o n n a c o t t S. (1996), J. N eu ro ch ., 67, 163-170.
[33] T a r c z y ń s k a M. , Z a l e w s k i M. (1997), Toksyczność zakw itów sinicowych ja k o czynnik
eutrofizacji — mechanizm powstawania i możliwość kontroli, red. W i ś n i e w s k i M. Z a l e w s
k i , Zesz. K om . N au k p rz y Prezyd. P A N , Człow iek i środowisko, W arsza w a - w d ru k u . [34] T e n c a l l a F „ D i e t r i c h D. (1997), T o x ico n 35, 583-595.
[35] U e n o Y „ N a g a t a S., T s u t s u m i T., H a n e g a w a A. , W a t a n a b e M. F . (1996), C arcinogenesis 17, 1317-1321.
[36] W a l t e r Z., C z a j k o w s k a A. , L i p e c k a K. (1980), H u m . G e n et., 53, 375-381 [37] W a l t e r Z., J a s i c k i P., Z a s t a w n y T. H. (1989), Bull. Soc. Sci. L ett. Ł ó d ź 21, (1-10). [38] W a l t e r Z., W i s z k o w s k a H . (1990), A cta Bioch. P olon. 37(1), 73-76.
[39] W a l t e r Z. , W o j t y s i a k M. (1989), Bull. Soc. Sci. L ett. Ł ó d ź 19, 1-10. [40] W a n g D . N. (1994), F E B S L ett. 346, 26-31.
[41] W i a d e r k i e w i c z R ., W a l t e r Z. (1990), F o lia Bioch. B iophys., 7, 27-4 0
[42] Y o s h i d a T., M a k i t a Y., N a g a t a S., T s u t s u m i T. , Y o s h i d a F. , S e k i j i m a M. , T a m u r a S., U e n o Y. (1997), N at. T oxins 5(3), 91-95.
[43] Z a l e w s k i M. , J a n a u e r G. A. , J o l a n k a i G . (1997), Ecohydrology. A new P a ra d ig m for the S u stain ab le use o f A q u a tic resources, C on cep tu al Back ¡p o u n d , W o rk in g H ypothesis, R a tio n a le an d Scientific G iudelines lo r the Im p lem en tatio n of the IH P -V P rojects 2.3/2.4. U N E S C O , Paris.
W p ły n ęło d o R ed ak cji K a te d ra G e n ety k i M o le k u la rn ej
F o lia b iochim ica et biophysica U n iw ersy tet Ł ó d zk i
24.04.1998
Z o fia W alter
T H E S T R U C T U R E O F C Y A N O B A C T E R I U M IO X LN S
In the stu d y th e stru c tu re o f C yanobacterium toxins is presented. T h e m ech an ism o f th eir a c tio n is described.
