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Drug Discovery from Cnidarians: Delivery, Bioreactivity and Molecular Characterisation of Toxins from the Sea Anemone Actinia
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Marine biodiversity is an invaluable source of natural bioactives of great interest for drug discovery, with emphasis on toxins, due to their potential specificity. Cnidarians, in particular, are known to secrete toxins for predation and defence, most of which are not fully described yet. This study on the sea anemone Actinia equina, common in the intertidal zone of the Portuguese coast, is a contribution to the study of the venom-delivery system of the abundant green and red varieties with the ultimate aim of disclosing its biotechnological potential as a source of bioactive compounds. Actinia equina’s anatomy and microanatomy were evaluated through electron and optical microscopy. Proteomics based on LC-MS/MS screening was employed to characterise proteinaceous toxins in the tentacles. The toxicity of the extracts was assessed in dechorionated zebrafish embryos and the survival rate was observed in a total of 72 hours of exposure. Structural analyses of the sea anemone confirmed the presence of specialized venom-cells in the tentacles, the nematocysts, responsible for injecting the venom into the prey. Proteomics identified a total of 286 proteins, of which 68 were exclusive to red specimens and 102 to green, leaving 116 proteins in common. The three most representative Gene Ontology terms related to Biological Process were “proteolysis”, “hemolysis in another organism” and “lipid catabolic process”. Various actitoxins, including specific to Actinia equina, were identified and classified as secreted Type I sodium channel inhibitory toxins (neurotoxins). Extracts from either variety were able to cause toxicity to zebrafish embryos, however, the venom of green anemones was seemingly more potent. Dose-effect relationships were found for both types of venom, even though the extracts from green anemones produced a more rapid effect (24 vs. 48h, comparatively). Altogether, the findings did not only show that proteinaceous toxins are present in the sea anemone Actinia equina, but also that different varieties can bear distinct bioactives with different bioreactivity, which increases the span of compounds of interest from the species for biotechnological and biomedical purposes, including but not exclusive to anaesthetics and painkillers.
A biodiversidade marinha é uma fonte valiosa de compostos bioativos naturais de interesse para desenvolvimento de fármacos, com ênfase nas toxinas devido à sua potencial especificidade. Os cnidários, em particular, são conhecidos por secretar toxinas para predação e defesa, que na sua maioria ainda não estão totalmente descritas. O presente estudo acerca da anémona marinha Actinia equina, comum na zona intertidal da costa portuguesa, contribui para o estudo do sistema de entrega de veneno das variedades verde e vermelha, com o objetivo de revelar o seu potencial biotecnológico como fonte de compostos bioativos. A anatomia e microanatomia de Actinia equina foram estudadas através de microscopia ótica e eletrónica. Proteómica baseada em LC-MS/MS foi aplicada para a caracterização de toxinas proteicas presentes nos tentáculos. A toxicidade dos extratos foi avaliada em embriões de peixe-zebra descorionados e a taxa de sobrevivência foi observada num total de 72 horas de exposição. A análise estrutural da anémona confirmou a presença de células especializadas de veneno nos tentáculos, os nematocistos, responsáveis pela injeção de veneno na presa. A análise proteómica permitiu identificar um total de 286 proteínas, das quais 68 foram encontradas exclusivamente em espécimes vermelhos e 102 em verdes, restando 116 proteínas em comum. Os termos “Gene Ontology” mais representativos relacionados com Processo Biológico foram “proteólise”, “hemólise noutro organismo” e “processo catabólico lipídico”. Várias actitoxinas, incluindo específicas de Actinia equina, foram identificadas e classificadas como toxinas secretadas inibidoras de canais de sódio tipo I (neurotoxinas). Extratos de ambas as variedades foram capazes de induzir toxicidade nos embriões de peixe-zebra, contudo, o veneno de anémonas verdes aparentou ser mais potente. Foram encontradas relações dose-efeito para ambos os tipos de veneno, ainda que os extratos de anémonas verdes tenham produzido um efeito mais rápido (24 vs. 48h, comparativamente). No geral, as descobertas não só demonstraram que toxinas proteicas estão presentes na anémona Actinia equina, mas também que diferentes variedades podem conter bioativos distintos, com bioreatividade diferente, o que aumenta a amplitude de compostos de interesse desta espécie para fins biotecnológicos e biomédicos incluindo, por exemplo, anestestéticos e analgésicos.
A biodiversidade marinha é uma fonte valiosa de compostos bioativos naturais de interesse para desenvolvimento de fármacos, com ênfase nas toxinas devido à sua potencial especificidade. Os cnidários, em particular, são conhecidos por secretar toxinas para predação e defesa, que na sua maioria ainda não estão totalmente descritas. O presente estudo acerca da anémona marinha Actinia equina, comum na zona intertidal da costa portuguesa, contribui para o estudo do sistema de entrega de veneno das variedades verde e vermelha, com o objetivo de revelar o seu potencial biotecnológico como fonte de compostos bioativos. A anatomia e microanatomia de Actinia equina foram estudadas através de microscopia ótica e eletrónica. Proteómica baseada em LC-MS/MS foi aplicada para a caracterização de toxinas proteicas presentes nos tentáculos. A toxicidade dos extratos foi avaliada em embriões de peixe-zebra descorionados e a taxa de sobrevivência foi observada num total de 72 horas de exposição. A análise estrutural da anémona confirmou a presença de células especializadas de veneno nos tentáculos, os nematocistos, responsáveis pela injeção de veneno na presa. A análise proteómica permitiu identificar um total de 286 proteínas, das quais 68 foram encontradas exclusivamente em espécimes vermelhos e 102 em verdes, restando 116 proteínas em comum. Os termos “Gene Ontology” mais representativos relacionados com Processo Biológico foram “proteólise”, “hemólise noutro organismo” e “processo catabólico lipídico”. Várias actitoxinas, incluindo específicas de Actinia equina, foram identificadas e classificadas como toxinas secretadas inibidoras de canais de sódio tipo I (neurotoxinas). Extratos de ambas as variedades foram capazes de induzir toxicidade nos embriões de peixe-zebra, contudo, o veneno de anémonas verdes aparentou ser mais potente. Foram encontradas relações dose-efeito para ambos os tipos de veneno, ainda que os extratos de anémonas verdes tenham produzido um efeito mais rápido (24 vs. 48h, comparativamente). No geral, as descobertas não só demonstraram que toxinas proteicas estão presentes na anémona Actinia equina, mas também que diferentes variedades podem conter bioativos distintos, com bioreatividade diferente, o que aumenta a amplitude de compostos de interesse desta espécie para fins biotecnológicos e biomédicos incluindo, por exemplo, anestestéticos e analgésicos.
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Palavras-chave
Drug Discovery Venom Toxicity Proteomics Actinia equina Marine invertebrates