베놈스

Venomics

베놈베놈과 연관된 단백질에 대한 대규모 연구다.독은 동물에 의해 분비되는 독성 물질로, 보통 공격적으로 또는 방어적으로 먹잇감이나 침략자에게 주입된다.null

독은 특수 분비샘(또는 분비샘)에서 생성되며 속이 빈 송곳니나 스팅어를 통해 전달된다.독의 주요 기능은 신경독성 또는 지혈성 메커니즘을 통해 상처 입은 동물의 생리학적 과정을 방해하는 것이다.그러면 이것은 먹이를 조달하거나 포식자를 저지/탈출하는 것과 같은 특정 과정에 도움이 될 수 있다.독은 여러 필라에서 여러 번 진화했는데, 각각 독의 독특한 종류와 전달 방법을 독자적으로 개발했다.[1]그러나 세계적으로 독성이 강한 동물이 지나치게 많아 비독성 동물(2만2000명)보다 동물 관련 사망(2013년 약 5만7000명)의 주요 원인이다.[2]예를 들어 뱀은 매년 100만~500만 명 이상의 물고문, 42만1000명(대 180만 명), 2만 명(대 9만4000명) 이상의 죽음에 책임이 있다.[3]그러나 독성 방법을 사용하면 신약이나 효과적인 살충제와 같은 유익한 물질로 독을 공동 선택할 수 있다.[4][5]null

독기법의 창조와 역사

독은 여러 단백질 성분으로 이루어져 있으며, 각 성분은 구조적으로 복잡성이 다르다.독은 단순한 펩타이드, 2차(α-헬리케스 및 β-시트) 구조 단백질과 3차 구조 단백질(크리스탈린 구조)의 혼합물이 될 수 있다.[6]나아가 유기체에 따라 독성 함량에 통합하는 전략에 근본적인 차이가 있을 수 있는데, 무척추동물과 척추동물의 가장 큰 차이점이다.예를 들어 깔때기 웹 거미의 독은 대부분 3-5 KDa(75%) 사이의 펩타이드로 구성되었고, 나머지 펩타이드들은 질량이 6.5-8.5 KDa 사이였다.[7]반대로 뱀독은 변형 침 단백질(CRISP & 칼리크레인)과 다른 조직군(아세틸콜린세라제, 크로타신, 디펜신, 시스타틴)으로부터 유전자를 모집한 단백질군(Acetylcholinesterase, Critasin & Cystatin)과 같은 보다 복잡한 단백질로 구성되어 있다.[8]독을 구성하는 성분의 이 엄청난 양의 변화 때문에 독 안에서 발견되는 수백만 개의 생체 활성 분자를 식별하고 분류할 새로운 장이 필요했다.[1]따라서 유전체학, transcriptomics, proteomics, bio informatics와 같은 여러 분야의 방법을 결합함으로써 적절한 이름을 가진 새로운 분야가 독이라는 이름을 갖게 되었다.null

베놈은 서로 다른 '-omic' 기술이 인기를 끌기 시작하면서 20세기 후반에 처음으로 설립되었다.그러나, 그것의 창시 이래 독의 진보는 항상 기술의 진보에 의존하고 제한되어 왔다.후안 칼베테는 독소들의 역사를 상세히 기술할 때 이 점에 주목한다.[9]그는 "지난 10년(1989-1999) 동안 독성 연구로 이루어진 마지막 혁명은 단백질 중심적인 방법으로 이루어진 진보의 직접적인 결과물이며, 보다 널리 이용 가능하고 비용 효율적인 형태의 대화체학 및 생물정보학 분석의 간접적인 결과물"이라고 선언한다.독의 첫 번째 인기 있는 연구 주제 중 하나는 신경독성 특성과 동물에게 호흡기 장애를 일으키는 능력 때문에 뱀독에서 발견된 폴리펩타이드 독소의 약리학적 특성(특히 엘라피대, 소수대)이었다.[10]그러나 유능한 기술이 부족하고 덜 복잡한 기법(독을 분리하기 위한 투석)이 단순 크로마토그래피전기영양 분석이 뒤따랐기 때문에 연구는 한계가 있었다.null

(왼쪽) k-Bungarotoxin의 아미노산 구조, (중간) 도표 및 (오른쪽) 스테레오다이아그램.[11]

뱀독에 대한 초기 관심의 증거는 20세기 초반에 널리 퍼졌고, 최초의 큰 돌파구 중 하나는 1960년대 중반이었다.예를 들어 할버트 라우도나트는 정교한 투석과 종이 크로마토그래피 기법을 이용해 코브라(나자 니베아) 독을 분리한 최초의 연구자 중 한 명이었다.[12]게다가 에버트 칼손과 데이비드 에이커는 코브라(나자 니그리콜리스) 독에서 발견된 특정 신경독을 성공적으로 정화시킬 수 있었고, 이 고립된 폴리펩타이드의 분자량이 약 7000의 일관된 분자량을 가지고 있다는 것을 발견했다.[13]null

이 분야의 미래 연구는 결국 간접 예측 모델과 중요한 많은 단백질 슈퍼패밀리의 직접적인 결정 구조를 초래할 것이다.[14][11]예를 들어, 바바라 로우(Barbara Low)는 세 손가락 단백질(TFP)인 에라부톡신-b의 3D 구조를 최초로 출시한 사람 중 한 명이었다.[15]TFP는 α-Neurotoxins의 한 예로서, 구조가 작으며(약 60-80 아미노산 길이) 많은 뱀 정맥에서 발견되는 지배적인 성분이다(모든 독소의 70~95%까지 나타냄).[16][17]null

독소현황과 방법론

돌이켜보면, 독소들은 현재의 진보된 방법을 통해 독성 분자의 염기서열 분석과 정확한 모델 생성에 많은 진전을 이루었다.이러한 방법을 통해 이전에 연구된 정맥이 문서화되고 광범위하게 이용될 수 있는 정맥의 범세계적인 분류도 이루어졌다.그 예로 '동물독소 주석 프로젝트'(UniProtKB/Swiss-Prot 제공)가 있다. 이 데이터베이스는 수천 개의 동물 독/독에 대한 단백질 시퀀스, 3D 구조 및 기능 정보를 고품질로 자유롭게 제공하는 것을 목표로 한다.지금까지, 그들은 단백질 수준에서 6,500개 이상의 독소(정맥과 독 모두)를 분류했고, 전체 유니프로트 조직은 50만 개 이상의 단백질을 검토했고 10만 개 이상의 유기체의 단백질을 제공했다.그러나 오늘날의 기술로도 동물의 독을 구성하는 개별 성분의 탈구축과 분류는 단일 독 샘플에서 발견되는 분자의 양이 압도적으로 많기 때문에 많은 시간과 자원을 필요로 한다.이는 부랑자의 상황(공압 관련 문제 또는 방어 관련 문제)에 따라 독의 복잡성과 구성을 바꿀 수 있는 일부 동물(즉, 원뿔 달팽이)이 있을 때 더욱 복잡해진다.[18]더욱이, 종의 수컷과 암컷 사이에 특정한 차이가 존재하며, 그들의 정맥은 양과 독성이 다양하다.[19]null

독에서 발견된 화합물의 격리 및 선별을 위한 일반적인 워크플로우.[20]

후안 J. 칼베테 교수는 발렌시아의 바이오메디컬 연구소에서 독에 대한 다작의 연구자로 독을 분해하고 분석하는 과정에 대해 광범위하게 설명해 왔다(2007년 1회, 2017년 최근 1회).[21][20]null

여기에는 다음 단계가 포함된다.

(1) 독물질 채취, (2) 분리 및 정량화, (3) 식별 및 (4) 발견된 구성품의 표현null

(1) 독채취법

독 우유는 독 샘플을 채취하는 가장 간단한 방법이다.보통 척추동물(일반적으로 뱀)이 관여하여 독에 물린 것을 용기에 전달한다.마찬가지로, 전기 자극은 무척추동물(곤충과 거미) 피험자에게 사용될 수 있다.[22]이러한 관행을 통해 독의 기본적 성질을 발견하고 독의 재생 기간 등 독 생성과 관련된 생물학적 요인을 파악할 수 있게 되었다.다른 방법으로는 필요한 물질(베놈 또는 조직)을 수집하기 위해 독샘을 사후에 해부하는 방법이 있다.null

(2) 분리 및 정량화 방법

분리 방법은 독 샘플을 분해하기 위한 첫 번째 단계로, 공통적인 방법은 역상 고성능 액체 크로마토그래피(RP-HPLC)이다.이 방법은 거의 모든 정맥에 조분법으로 광범위하게 적용될 수 있으며 발견된 펩타이드 결합을 검출할 수 있다.무겁고 복잡한 펩타이드(선호성 >10KDa)를 함유한 정맥의 경우에도 1D/2D 젤 전기영양과 같은 덜 일반적인 기법을 사용할 수 있다.이는 RP-HPLC에 추가된 겔 전기영양증(Gel Electrophoresis)은 큰 분자(효소 등)를 식별하고 추가 분석 방법에 앞서 독을 정제하는 데 도움을 줄 수 있다는 것을 의미한다.[1]다음으로 N-단자 시퀀싱은 N-단자 끝단부터 시작하는 분할 단백질/펩타이드의 아미노산 순서를 찾기 위해 사용된다.[23]또한, 식별 단계로 넘어가기 전에 관심 있는 단백질을 식별하기 위해 RP-HPLC에서 격리된 단백질에 대해 SDS#PAGE(Sodium dodecyl sulfate-polyacryamide gel electrophoresis)를 수행할 수 있다.[21]null

(3) 식별방법

(왼쪽) Bottom-up 및 Top-down protomic 분석의 표현.(오른쪽) 프로테오믹스와 Transcriptomics/Genomics 분석 방법의 유사점과 차이점.[24]

펩타이드/단백질 구조를 식별할 때 주로 사용되는 프로테오믹스(TDP)와 BUP(Bottom-up proteomics) 두 가지 방법이 있다.TDP는 분절된 독 샘플을 채취하고 액화 크로마토그래피 탠덤-질량 분광 분석(LC-MS/MS)으로 펩타이드/단백질을 분석하는 것을 포함한다.이는 초기 샘플에 존재하는 모든 펩타이드/단백질을 식별하고 특성화하는 결과를 낳는다.BUP는 분석 전 화학적 감소, 알킬링 및 효소 소화(일반적으로 트립신 포함)를 이용하여 펩타이드/단백질을 분류하고 분해하는 것으로 구성된다.BUP는 시료를 분해하면 구성품이 LC-MS/MS 분석에 이상적인 질량 범위를 충족시킬 수 있기 때문에 TDP보다 더 일반적으로 사용된다.[24][1]그러나 두 가지 식별 방법 모두 단점과 한계가 있다.BUP 결과는 큰 독소를 출력물에 나타나는 작은 독소로 분해할 수 있지만 독 샘플 내에 자연적으로 존재하지 않기 때문에 단백질 추론 문제가 발생하기 쉽다.TDP는 새로운 방법이고 BUP가 남긴 공백을 메울 수 있는 반면, TDP는 해결력이 높은 계측기(일반적으로 5만개 이상)가 필요하다.대부분의 연구는 실제로 가장 정확한 결과를 얻기 위해 두 가지 방법을 병행하여 사용할 것이다.게다가, 성적/유전자적 방법은 독성이 있는 동물의 독샘에 표현된 추출된 mRNA 분자로부터 cDNA 라이브러리를 만드는 데 사용될 수 있다.이 방법들은 독샘에서 발현된 모든 단백질의 DNA 서열을 생성함으로써 단백질 식별 과정을 최적화한다.독성 연구에서 대본/유전자 분석을 사용하는 데 있어 큰 문제는 많은 독성 동물의 완전한 게놈 서열이 부족하다는 것이다.그러나 '독성계 게놈 프로젝트'(2003년 출시)와 같은 독성 동물의 염기서열 분석과 관련된 전체 게놈 프로젝트의 분량 때문에 이는 덧없는 문제다.[25]이러한 사업을 통해 생태/진화 연구, 독소 연구 등 다양한 연구 분야가 지원 정보 제공과 독소 분석 체계화를 제공할 수 있다.null

(4) 구성부품의 정확한 표현

Beryropoides Pauloensis[26] 독성을 분석할 때 (좌) 단백질 처리 및 (우) 대본 처리 방법의 발견.

Renata Rodrigues는 Neuwieed's Lancehead (Bothropoides Pauloensis)의 프로테오메와 성적 증명서 모두를 위에서 설명한 모든 방법으로 상세히 기술한 유익한 연구를 작성했다.[26]프로테오메는 뱀독금속단백질화효소(38%), 인지파아제 A2(31%), 브래디키닌-감전펩타이드/C형 나트륨펩타이드(12%)에 속하는 성분이 대부분인 9개 단백질군의 존재를 보였다.transcriptom은 1100개 이상의 표현 시퀀스 태그(EST)를 cDNA에 부여했으며, 688개의 시퀀스만이 독샘과 관련이 있다.마찬가지로, Transcriptome은 SVMP의 36%가 EST의 과반수였고, 그 다음으로는 PLA2(26%), BPP/C-NP(17%) 순이었다.게다가, 이 연구는 단백체학 및 타원체학을 모두 사용함으로써 독 안에 있는 성분들을 완전히 이해할 수 있다는 것을 보여준다.이는 많은 생체활성 성분의 분자 구조와 기능 모두를 이끌어낼 수 있으며, 이를 통해 새로운 의약품으로 생체실험을 할 수 있으며 항균을 만드는 더 나은 방법을 개발하는 데 도움을 줄 수 있다.null

독소들의 미래 가능성

독소 분야는 20세기부터 대대적으로 개편돼 차세대 염기서열 분석, 핵자기공명분광법 등 현대적 방법으로 지속적으로 개선되고 있다.이러한 추세에서 볼 때 21세기의 지속적인 기술 발전을 통해 독소들의 능력이 점차적으로 향상될 것으로 보인다.앞서 언급한 바와 같이 독에 의해 더욱 확장될 수 있는 잠재적 경로는 독에 특화된 분자가 전문 의약품으로 공동 선택되는 것일 수 있다.이것의 첫 번째 예는 1970년대 초, 캡토프릴이 안지오텐신 전환 효소(ACE)의 억제제로 밝혀지고 사람들에게 고혈압을 치료할 수 있는 수단을 가지고 있던 때였다.[27]글렌 킹은 독에서 유래한 6가지 약물이 FDA 승인을 받았으며 현재 10가지가 더 임상실험 중에 있는 등 독에서 유래된 약물의 현재 상태에 대해 논의하고 있다.[28]마이클 페닝턴은 독에서 유래된 약물의 현재 상황과 그 분야의 잠재적인 미래에 대해 상세한 업데이트를 제공한다(표 1).[4]null

항우울제는 많은 개발도상국들이 독이 있는 동물로 직면하고 있는 문제 때문에 개선이 필요한 또 다른 의학 분야다.남·동남아시아나 사하라 이남 아프리카 같은 곳에서는 병적(한계절단)과 사망률이 모두 발생하는 경우가 많다.[29]뱀(특히 엘라피대, 바이페르대)은 증식물의 주원인이며, 항생물질은 생산성이 강한 방법(면역동물)과 엄격한 저장 선호도(0CO 저장소 이하)로 인해 위험도가 높은 지역에서 지속적으로 부족하게 된다.이 문제는 의학 자체가 국소화된 조직에 제한적인 영향을 미치고 불가피하게 대부분의 환자에게 급성(무염색성 또는 발열성) 반응과 지연(열병형) 반응을 일으킬 때 계속된다.[30]그러나, 서로 다른 '오믹' 기술을 사용함으로써, '안티베노믹스'의 사용은 잠재적으로 다양한 독성 유기체에 대한 항생물질을 생산하는 더 안전하고, 더 비용 효율적이며, 덜 소모적인 방법을 만들 수 있다.새로운 항생물학적 방법은 오늘날 단핵 항체(mAbs)의 사용과 독성 데이터베이스의 확장으로 조사되어 항생물체의 교차 반응성을 검사할 때 보다 효과적인 접근법을 가능하게 한다.[31][32]마지막으로, 독으로 만들어진 곤충 특유의 생화학물질의 발명을 통해 농업을 발전시킬 수 있다.곤충은 둘 다 농업/호트 문화 해충이고 많은 기생충과 질병의 벡터/캐리어 역할을 한다.[33]에르고, 효과적인 살충제는 많은 곤충 종의 파괴적인 효과를 조절하기 위해 항상 필요하다.그러나 과거에 사용된 많은 살충제는 현행 규정에 맞지 않고 비표적종(DDT)에 영향을 미치고 포유류(네오닉오티노이드)에 대한 독성 수준이 높은 등 유해성 때문에 사용이 금지됐다.[34]모니크 윈들리는 아라크니드 독이 독 안에 있는 신경독성 화합물의 풍부함(예측된 1,000만 생물활성 펩타이드)과 독이 곤충에 특이하기 때문에 이 문제에 대한 잠재적인 해결책이라고 제안했다.[5]null

표 1.페닝턴, 체르빈스키 외, (2017)[4]에서 논의한 독 유래 의약품.null

에 대한 치료 조치 모드/대상 사이트 원산지동물 개발단계
캡토프릴 고혈압/울혈성 심부전 ACE 억제제 핏바이퍼

(Bothrops jararaca)

승인된
에프티피바티드 항혈소판제 순환계 피그미 방울뱀

(시스트루루스 밀리어리어스 바부리)

승인된
티로피반 항혈소판제 순환계 러셀 독사

(다보이아 러셀리)

승인된
레피루딘 항응고제 트롬빈 억제제 톱니형 독사

(Echis carinatus)

승인된
비발루딘 항응고제 트롬빈 억제제 약용거머리

(히루도 약초)

승인된
지코노타이드 만성통증 전압 게이트 칼슘 채널 콘 달팽이

(C. 지역)

승인된
엑세나타이드 제2형 당뇨병 GLP-1 수용체 길라괴물

(헬로더마 의심증)

승인된
클로로톡신 종양 이미징 CL 채널/

교모세포

데스스토커 전갈

(라이우루스 quoquestriatus)

임상적

개발

스티코닥틸라(ShK) 자가면역질환 전압 게이트 칼륨 채널 카리브 해 아네모네

(Stoichactis heliantus)

임상적

개발

SOR-C13 TRPV6 N. 짧은꼬리뒤쥐

(블라리나 브레비카다)

임상적

개발

HsTX1 [R14A] 자가면역질환 전압 게이트 칼륨 채널 자이언트 포레스트 전갈

(Heterometrus spinnife)

프리클리닉

개발

NaV1.7 차단기 통증 나1V.7 여러 타란툴라 종(Trrixopelma pruriens, Selenocosmia huwena, Pampcobeteus nigricolor) 프리클리닉

개발

α-코노톡신 RgIA 통증 nACh 수용체 콘 달팽이

(코너스 레지우스)

프리클리닉

개발

α-코노톡신 Vc1.1 통증 nAChRs 콘 달팽이

(코너스 빅토리애)

중단됨
χ-코노톡신씨IA 통증 노레피네프린 운반억제제 콘 달팽이

(코너스 마모어스)

중단됨
콘툴라킨-G 통증 뉴로텐신 수용체 콘 달팽이

(코너스 지리)

중단됨
코난토킨지 통증/감정증 NMDA 수용체 콘 달팽이

(코너스 지리)

중단됨
켄데리타이드 심혈관 질환 ANP 수용체 B 수정된 그린맘바 독

(단드루아스피스 협착증

중단됨

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