STRUCTURAL AND FUNCTIONAL STUDIES OF SNAKE PHOSPHOLIPASE A2 NEUROTOXINS

Snake presynaptic neurotoxins with phospholipase A2 activity are potent inducers of paralysis through the inhibition of the neuromuscular junction. These neurotoxins were recently shown to induce exocytosis of synaptic vesicles following the production of lysophospholipids and fatty acids and a sustained influx of Ca2+ from the external medium. Here, we have performed some functional studies on their mechanism of intoxication, showing that snake PLA2 neurotoxins are able to penetrate neuronal cells after five minutes of intoxication. We reported that internalized snake neurotoxins specifically localize on mitochondria. We show here that presynaptic phospholipase A2 neurotoxins facilitate opening of the mitochondrial permeability transition pore, resulting in a negative effect on mitochondria calcium buffering capacity. Successively, it has been studied the effective phospholipase A2 activity of the toxins during intoxication. The time‐course of phospholipid hydrolysis in cerebellar neuronal cultures intoxicated with four different snake neurotoxins was monitored. Our findings partially explain the high discrepancy between lethal potency and in vitro measured activity reported in literature for the four considered neurotoxins. However, the most toxic textilotoxin and taipoxin still showed lower enzymatic activities on neurons than those of notexin and β‐bungarotoxin, therefore, one must invoke more favorable pharmacokinetics to account for the remaining difference in toxicity. Furthermore, it was here identified the outer layer of the plasma membrane as the main target of phospholipase A2 neurotoxins hydrolysis. Nevertheless, limited intracellular activity concentrated on specific targets must not be excluded. For a better comprehension of the high toxicity of multimeric snake PLA2 neurotoxins with respect to the monomeric ones, studies on the quaternary structure of taipoxin are in progress. We present here the crystallographic structure of beta subunit, one of the three PLA2 subunits of taipoxin, with preliminary considerations.

Le neurotossine con attività fosfolipasica di tipo A2, isolate dal veleno di alcune famiglie di serpenti, inducono la paralisi della giunzione neuromuscolare. Tali tossine riconoscono in maniera altamente specifica il terminale presinaptico, idrolizzano i fosfolipidi di membrana del foglietto esterno inducendo una modifica strutturale della plasmamebrana, alterazione che facilita la fusione delle vescicole sinaptiche e ne inibisce l’endocitosi. In questo lavoro sono presentati i risultati ottenuti durante alcuni studi funzionali sul meccanismo d’azione delle neurotossine di serpente. Le evidenze sperimentali qui riportate, dimostrano che le neurotossine studiate sono in grado di superare la membrana cellulare e di localizzarsi a livello mitocondriale. Successivi studi in vitro, condotti su mitocondri isolati, rivelano come tali neurotossine siano in grado di indurre l’apertura del poro di permeabilità mitocondriale e, conseguentemente, di influire negativamente sulla abilità dei mitocondri di assorbire calcio dal mezzo circostante. In seguito è stata misurata l’attività enzimatica di quattro neurotossine di serpente con attività fosfolipasica di tipo A2 su colture neuronali di granuli di cervelletto. L’attività idrolitica delle neurotossine è stata monitorata nel tempo, rivelando una maggiore omogeneità di attività fra le diverse tossine rispetto a quanto osservato in esperimenti condotti su substrati artificiali. Si riporta comunque una discrepanza fra tossicità e attività enzimatica delle neurotossine studiate, probabilmente dovuta ad una farmacocinetica favorevole alle neurotossine più complesse, le quali, pur presentando attività enzimatica minore, risultano maggiormente neurotossiche. Queste misure hanno inoltre permesso di individuare nel foglietto esterno della membrana plasmatica il target principale dell’attività idrolitica delle tossine in questione. Concludendo, si presentano alcuni studi preliminari alla caratterizzazione della struttura quaternaria della tossina trimerica taipoxin.