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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-59280
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5928/


Analysis of the low molecular weight peptides of selected snake venoms

Analyse der Peptide mit kleinen Molekulargewichten von ausgewählten Schlangengiften

Munawar, Aisha

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SWD-Schlagwörter: Peptide , Proteasen , Proteaseinhibitor , Molekulardesign , Kristallographie , Massenspektrometrie , Sequenzanalyse <Chemie>
Freie Schlagwörter (Deutsch): Röntgenstrukturanalyse
Freie Schlagwörter (Englisch): Peptides , Proteases , Crystallography , Mass spectrometry , Molecular modeling
Basisklassifikation: 35.70
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Betzel, Christian (Prof. Dr. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.10.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 14.11.2012
Kurzfassung auf Englisch: Snake venom peptidomes are valuable sources of pharmacologically active compounds. The peptidic fractions (peptides with molecular masses up to 10,000 Da) of the venoms of Vipera ammodytes meridionalis (Viperinae), the most toxic snake in Europe, Bothrops jararacussu (Crotalinae), an extremely poisonous snake in South America, Naja mossambica mossambica (Elapinae), a snake from Africa and Notechis ater niger (Acanthophiinae), distributed on the south coast of Australia having a very lethal venom, were analyzed. Liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC/MS), direct infusion electrospray mass spectrometry (ESI-MS) and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS) were applied to characterize the peptides of the four snake venoms. 32 bradykinin-potentiating peptides (BPPs) were identified in the Crotalinae venom and their sequences were determined. 3 metalloproteinase inhibitors, 10 BPPs and a Kunitz-type inhibitor were observed in the Viperinae venom peptidome. 3 cytotoxins, 5 BBPs and one bradykinin inhibitor peptide were found in the Elapinae venom. Two neurotoxins, two Kunitz/BPTI type inhibitors and one natriuretic peptide were identified in the Acanthophiinae venom. Variability in the C-terminus of homologous BPPs was observed, which can influence the pharmacological effects. The data obtained so far shows a subfamily specificity of the venom peptidome in the Viperidae and Elapidae family: BPPs are the major peptide component of the Crotalinae venom peptidome lacking Kunitz-type inhibitors (with one exception) while the Viperinae and Acanthophiinae venom, in addition to BPP or natriuretic peptides, can contain peptides of the bovine pancreatic trypsin inhibitor family. The venoms of Elapidae family contain three finger toxins which have not been found in the Viperidae family and the absence of three finger toxin type of peptides in the Viperidae venom can mark the point of difference between the Elapidae and Viperidae family. Among the Elapidae family variations were also observed at the subfamily level. The Elapinae family contains cytotoxin type of three finger toxin, while that of Acanthophiinae venom lacks cytotxic peptides and instead contains neurotoxin type of three finger toxins. The Acanthophiinae family contains Kunitz/BPTI inhibitors which were not observed in the Elapinae venom. The MALDI-TOF mass spectrometry provided information for the post-translational phosphorylation of serine residues in Bothrops jararacussu venom BPP (SQGLPPGPPIP), which could be a regulatory mechanism in their interactions with ACE, and might influence the hypotensive effect. Homology between venom BPPs from Viperidae snakes and venom natriuretic peptide precursors from Elapidae snakes suggests a structural similarity between the respective peptides from the peptidomes of both snake families. The Kunitz/BPTI type inhibitors isolated from the venoms of Viperinae and Acanthophiinae subfamily are also homologous to each other, but show variation of the reactive bond residues even within the same venom, suggesting that nature has engineered these peptides to perform a variety of functions by incorporating subtle mutations at convex and exposed binding loop. The results demonstrate that the venoms are rich sources of peptides influencing important physiological systems such as blood pressure regulation, hemostasis, and nervous system. The molecular models of the catalytic complexes of BPP-human ACE and Kunitz/BPTI-serine protease provide insights into the probable binding modes and interactions at the protein-ligand interface. The data can support pharmacological and medical applications.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Peptidome von Schlangengifte sind wertvolle Quellen von pharmakologisch wirksamen Verbindungen. In der vorliegenden Arbeit wurden die peptidischen Fraktionen (Peptide mit einem Molekulargewicht von weniger als von 10,000 Da) der Gifte von Vipera ammodytes meridionalis (Viperinae), der giftigsten Schlange Europas, Bothrops jararacussu (Crotalinae), einer extrem giftigen Schlange aus Südamerika, Naja mossambica mossambica (Elapinae), der gefährlichsten Schlange Afrikas und Notechis ater niger (Acanthophiinae), von der Südküste Australiens mit einem sehr tödlichen Gift, analysiert. Flüssigkeits-Chromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (LC/MS), Elektrosprayionisations-Massenspektrometrie per direkter Probeninfusion (ESI-MS) und Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation Time-of-Flight-Massenspektrometrie (MALDI-TOF-MS) wurden angewandt, um die Peptide der vier Schlangengifte zu charakterisieren. Im Gift der Crotalinae wurden 32 Bradykinin-potenzierende Peptide (BPPs) identifiziert und ihre Sequenzen wurden bestimmt. Im Peptidom des Viperinae-Gifts wurden 3 Metalloproteinase-Inhibitoren, 10 BPPs und ein Kunitz-Typ-Inhibitor beobachtet. Drei zytotoxische Komponenten, 5 BBPs und ein Bradykinin-Inhibitor-Peptid wurden im Elapinae-Gift gefunden. Zwei Neurotoxine, zwei Kunitz-/BPTI-Typ-Hemmstoffe und ein natriuretisches Peptid wurden im Acanthophiinae-Gift identifiziert. Eine Variabilität am C-Terminus von homologen BPPs, die die pharmakologischen Wirkungen beeinflussen kann, wurde beobachtet. Die erhaltenen Daten zeigen eine Spezifität der Gifte in den Unterfamilien im Peptidom der Viperidae- und Elapidaefamilie: BPPs sind die wichtigsten Peptidkomponenten des Crotalinae-Gift-Peptidoms. In diesem fehlen Kunitz-Typ Inhibitoren (mit einer Ausnahme), während das Gift von Viperinae und Acanthophiinae, zusätzlich zu BPPs oder natriuretischen Peptiden, Peptide der Bovin-Trypsin-Inhibitor-Familie enthalten können. Die Gifte der Elapidae-Familie enthalten sogenannte Dreifinger-Toxine (three finger toxins), die nicht in der Viperidae-Familie gefunden wurden. Das Fehlen von Dreifinger-Giftstoffen im Gift von Viperidae ist der entscheidende Unterschied zwischen dem Gift der Elapidae- und Viperidae-Familien.
Innerhalb der Elapidae-Familie wurden auch auf der Subfamilien-Ebene Unterschiede in der Zusammensetzung des Giftes beobachtet. Das Gift der Elapinae-Familie enthält Cytotoxin vom Typ des Dreifinger-Toxins, dies fehlt im Gift der Acanthophiinae welches stattdessen Neurotoxine vom Typ der Dreifinger-Toxine enthält. Die Acanthophiinae-Familie enthält Kunitz-/BPTI-Inhibitoren, die nicht im Gift der Elapinae-Familie gefunden werden konnten. Die MALDI-TOF-Massenspektrometrie ergab einen Anhaltspunkt für die post-translationale Phosphorylierung von Serin im BPP aus dem Gift von Bothrops jararacussu (SQGLPPGPPIP). Dies könnte ein Regulationsmechanismus in ihren Interaktionen mit ACE sein und die blutdrucksenkende Wirkung beeinflussen. Die Homologie zwischen BPPs von Viperidae-Schlangen und den Vorstufen des natriuretischen Peptids im Gift von Elapidae-Schlangen verweist auf eine strukturelle Ähnlichkeit zwischen den jeweiligen Peptiden beider Schlangenfamilien. Die Kunitz-/BPTI-Typ-Inhibitoren, die aus den Giften der Viperinae und Acanthophiinae-Unterfamilie isoliert wurden, sind auch homolog zueinander, zeigen aber Unterschiede bei ihren reaktiven Bindungsstellen, selbst innerhalb desselben Giftes, was darauf hindeutet, dass durch Einbau von kleinen Mutationen an konvex und freiliegenden bindenden Loops diese Peptide verschiedene Funktionen haben. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gifte von vier Schlangen reiche Quellen für Peptide sind, die wichtige physiologische Systeme wie Regulierung des Blutdrucks, Hämostase und das Nervensystem beeinflussen. Die molekularen Modelle der katalytischen Komplexe von BPP aus Schlangengiften mit menschlichem tACE und der Kunitz-/BPTI in Komplex mit Serinproteasen gibt Einblicke in die wahrscheinlichen Bindungsmodi und Wechselwirkungen an der Protein-Ligand-Schnittstelle. Die Daten können für pharmakologische und medizinische Anwendungen verwendet werden.

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