Никотиновые рецепторы ацетилхолина - мишени действия инсектицидов и антигельминтных средств

сельскохозяйственные науки

УДК 632.95+615.284

НИКОТИНОВЫЕ РЕЦЕПТОРЫ АЦЕТИЛХОЛИНА - МИШЕНИ ДЕЙСТВИЯ ИНСЕКТИЦИДОВ И АНТИГЕЛЬМИНТНЫХ СРЕДСТВ

Калинникова Татьяна Борисовна, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией, Егорова Анастасия Васильевна, младший научный сотрудник, Гайнутдинов Тимур Маратович, кандидат биологических наук, научный сотрудник, Гайнутдинов Марат Хамитович, доктор биологических наук, профессор, старший научный

сотрудник;

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан,

Казань, РФ

В работе рассмотрены современные представления о токсическом действии инсектицидов и антигельминтных средств на организмы паразитических беспозвоночных через н-холиноре-цепторы. Также приведены результаты исследований избирательности токсического действия этих пестицидов, обусловленной эволюцией н-холинорецепторов.

Ключевые слова: н-холинорецепторы; инсектициды; нематоциды; эволюция; избирательность токсического действия.

NICOTINIC ACETYLCHOLINE RECEPTORS - TARGETS FOR ACTION OF INSECTICIDES AND ANTHELMINTIC DRUGS

Kalinnikova Tatiana Borisovna, PhD (Cand. Bio. Sci.), head of the laboratory; Egorova Anastasia Vasilevna, junior researcher; Gainutdinov Timur Maratovich, PhD (Cand. Bio. Sci.), researcher; Gainutdinov Marat Khamitovich, PhD (Doc. Bio. Sci.), professor, senior researcher Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences,

Kazan, Russia

The modern conceptions about toxic action of nematocides and anthelmintic drugs upon organisms of parasitic invertebrates through their nicotinic cholinoreceptors are considered. The results of investigations of selectivity of toxic action of those pesticides due to nicotinic cholinoreceptors evolution are also discussed.

Keywords: nicotinic cholinoreceptors; insecticides; nematocides; evolution; toxic action selectivity.

Для цитирования: Никотиновые рецепторы ацетилхолина - мишени действия инсектицидов и антигельминтных средств / Т.Б. Калинникова, А.В. Егорова, Т.М. Гайнутдинов, М.Х. Гайнутдинов // Наука без границ. 2019. № 6(34). С. 83-88.

На протяжении ряда десятилетий одним из основных подходов борьбы с паразитическими насекомыми и червями в сельском хозяйстве, ветеринарии и медицине остается использование пестицидов и лекарств, вызывающих гиперактивацию никотиновых рецепторов ацетилхо-лина (н-холинорецепторов) в организмах беспозвоночных-паразитов [1-3]. В связи с важнейшей ролью н-холинорецепторов в регуляции многих функций организмов не только паразитических беспозвоночных, но и организмов человека и всех без исключения свободноживущих организмов животных, позвоночных и беспозвоночных, при использовании пестицидов, вызывающих гиперактивацию н-холиноре-цепторов, возникает целый ряд проблем. Эти проблемы, актуальность которых в настоящее время не вызывает сомнений, в основном сводятся к следующему. Во-первых, действие пестицидов и ветеринарных средств на н-холинорецепторы паразитических беспозвоночных должно быть избирательно токсичным и не оказывать влияния на н-холинорецепторы в организмах человека, сельскохозяйственных животных и свободноживущих позвоночных и беспозвоночных в окружающей среде [1-2]. Во-вторых, при долговременном использовании пестицидов и ветеринарных средств у организмов паразитических беспозвоночных вырабатывается резистентность к их токсическому действию и возникает необходимость смены препаратов [3-4]. В этой работе рассмотрены результаты современных исследований, имеющих отношение к первой из этих проблем - избирательности гиперактивации н-холинорецепторов паразитических

беспозвоночных пестицидами и ветеринарными средствами.

Эволюция н-холинорецепторов

Основой избирательности токсического действия современных инсектицидов и не-матоцидов-агонистов н-холинорецепторов на организмы беспозвоночных и организмы человека и животных, которые не являются мишенями действия пестицидов и антигельминтных средств, используемых в ветеринарии, являются фармакологические различия н-холинорецепторов в организмах человека, позвоночных и беспозвоночных, которые появились в ходе эволюции Metazoa. Универсальность молекулярной организации н-холиноре-цепторов заключается в том, что все они являются пентаметрическими ионными каналами, состоящими из пяти белковых субъединиц [1-2]. Считается, что а-субъе-диницы принимают участие в связывании ацетилхолина и других агонистов н-холи-норецепторов, а другие субъединицы участвуют в формировании ионных каналов в мембранах нейронов и локомоторных мышц [1-2]. В то же время гомометриче-ские н-холинорецепторы состоят из пяти одинаковых а-субъединиц в отличие от гетерометрических н-холинорецепторов [1-2, 5].

В современных исследованиях н-хо-линорецепторов основная проблема заключается в множественности генов субъединиц. Так, в организме человека экспрессируется 17 генов этих субъединиц, а в простом организме свободножи-вущей почвенной нематоды Caenorhabditis е^аш количество этих генов еще больше - 29 [1]. Соответственно, в организме человека или животного потенциально

существует огромное количество вариантов из пяти субъединиц, которые могут быть н-холинорецепторами в нейронах и мышцах. В настоящее время сравнительно немногие н-холинорецепторы идентифицированы, так как одним из основных и дорогостоящих методов их идентификации остается эктопическая экспрессия генов-кандидатов в ооцитах шпорцевой лягушки с последующим фармакологическим анализом характеристик рецептора методами электрофизиологии [1-2, 5]. В то же время известно, что у н-холиноре-цепторов качественно различаются как чувствительность к агонистам и антагонистам, так и характеристики ионных каналов, формируемых н-холинорецепторами. В большинстве случаев это неселективные ионные каналы для катионов (К+, №+ и Са2+), но известны и н-холинорецепто-ры, являющиеся селективными ионными каналами для ионов Са2+ [1-2]. Хотя общепринятым является представление о том, что н-холинорецепторы осуществляют возбуждающее действие ацетилхо-лина на нейроны и мышцы в результате деполяризации мембран [1-2], известны и н-холинорецепторы, связывание с которыми ацетилхолина ингибирует процессы возбуждения, так как эти н-холинорецеп-торы являются каналами для ионов СГ [6-7]. Прямым доказательством того, что в ходе эволюции произошли качественные изменения молекулярной организации н-холинорецепторов, является избирательное токсическое действие современных инсектицидов (неоникотиноидов и сульфоксиминов) на организмы паразитических насекомых [1-2, 8] и нематоцидов на организмы паразитических нематод [1] без проявления токсического действия на организмы человека и млекопитающих. В отдельных случаях идентифицированы н-холинорецепторы, специфичные для беспозвоночных. Например, обнаружен н-холинорецептор, специфичный для не-

матод, который является мишенью действия нового класса нематоцидов - производных амино-ацетонитрила [1].

Несмотря на использование в сельском хозяйстве достаточно эффективных инсектицидов (неоникотиноиды) и анти-гельминтных средств (левамизол и др.) с избирательным токсическим действием на н-холинорецепторы соответственно паразитических насекомых и паразитических нематод [1-2], в настоящее время существует потребность в создании новых поколений инсектицидов и нематоцидов. В основном эта необходимость обусловлена тем, что при длительном применении инсектицида или антигельминтного средства почти неизбежно возникает резистентность к его токсическому действию в популяциях беспозвоночных-паразитов [3]. В этом случае, как показывают результаты современных исследований, агонисты н-холинорецепторов насекомых и нематод могут быть заменены агонистами других н-холинорецепторов в организмах насекомых или нематод [1, 8].

Токсическое действие пестицидов, мишенью действия которых являются н-холинорецепторы, на организмы сво-бодноживущих животных

Н-холинорецепторы паразитических беспозвоночных являются мишенью токсического действия не только инсектицидов и нематоцидов с селективным действием на эти рецепторы, но и ингибиторов ацетилхолинэстеразы. Ингибиторы ацетилхолинэстеразы вызывают аномальное повышение уровня эндогенного аце-тилхолина, следствием которого является гиперактивация н-холинорецепторов [9]. В настоящее время ингибиторы ацетил-холинэстеразы не используются в ветеринарии [1], но продолжают достаточно широко использоваться для борьбы с паразитическими насекомыми и нематодами в растениеводстве. В производстве инсектицидов доля ингибиторов ацетилхолинэ-

стеразы постоянно снижается за счет увеличения производства неоникотиноидов и других инсектицидов, мишенью действия которых является нервная система паразитических насекомых. Напротив, для борьбы с паразитическими нематодами селективные агонисты н-холинорецепторов широко используются в ветеринарии, а в растениеводстве по-прежнему продолжается использование фосфорорганических и карбаматных ингибиторов ацетилхо-линэстеразы. Результаты многочисленных исследований токсичности ингибиторов ацетилхолинэстеразы и инсектицидов, обладающих избирательным действием

на н-холинорецепторы паразитических насекомых, на организмы на организмы Metazoa, не являющиеся мишенями действия этих пестицидов, обобщены в ряде исследований [10-13] и приведены в таблице.

Результаты токсикологических исследований (см. табл.) [10-13] свидетельствуют о том, что в ходе эволюции появились большие различия фармакологической чувствительности н-холинорецепторов не только между млекопитающими и насекомыми, но и между насекомыми и ракообразными.

Таблица

Токсичность инсектицидов для организмов, не являющихся мишенями их действия

Группы организмов/ Дозы пестицидов Класс инсектицидов

Ингибиторы ацетилхолинэстеразы Агонисты никотиновых рецепторов ацетилхолина

Карбаматные

Водные организмы

С^осега,мкг/л Крупные ракообразные, мкг/л Водные насекомые, мкг/л Рыбы, мг/л Амфибии, мг/л 88.5 385.7 259.1 4.9 17.0 11.5 55.3 65.4 2.5 5.3 30441.0 4137 6.0 60.8 162.8 11466.0 1.9 0.5

Наземные организмы

Пчелы, мкг/особь Кольчатые черви, мг/ кг почвы

Птицы, мг/кг массы тела

Млекопитающие, мг/ кг массы тела

0.71 76 49 98

0.58 131

33 99

0.13 54 659 868

17.5

26 409

В таблице приведены средние ЛД50 при пероральном введении (для пчел, птиц и млекопитающих) или ЛК50 (для кольчатых червей и водных организмов), рассчитанные для всех исследованных веществ, относящихся к данному классу пестицидов.

При наличии высокой чувствительно- неоникотиноидов и инсектицидов-анта-сти организма к токсическому действию гонистов н-холинорецепторов у пчел и

водных насекомых чувствительность к этим веществам у С^осега и крупных ракообразных на несколько порядков ниже. В то же время у птиц при сравнительно низкой чувствительности к токсическому действию агонистов н-холинорецепторов насекомых (неоникотиноиды) выявляется высокая, по сравнению с млекопитающими, токсичность антагонистов н-холи-норецепторов насекомых (дитиолы) (см. табл.). У рыб и особенно у амфибий чувствительность к токсическому действию антагонистов н-холинорецепторов на порядок выше чувствительности к действию неоникотиноидов (см. табл.). При этом у пчел, напротив, токсичность неоникоти-ноидов на два порядка выше, чем токсичность антагонистов н-холинорецепторов (см. табл.). Чувствительность к токсическому действию неоникотиноидов на три порядка ниже у нематод, чем у насекомых

[14]. Следовательно, и между н-холино-рецепторами насекомых и нематод существуют большие различия в их фармакологической чувствительности [10-13].

В последнее десятилетие чрезвычайно актуальным стал вопрос о негативном влиянии при их использовании для борьбы с паразитическими насекомыми на популяции пчел и других насекомых-опылителей [15-16]. В связи с предполагаемой или реальной опасностью использования в сельском хозяйстве инсектицидов-не-оникотиноидов для пчел в декабре 2013 года в Европейском Союзе был введен двухгодичный мониторинг на использование трех инсектицидов-неоникотиноидов (имидаклоприда, клотианидина и тиаме-токсана) [17]. Поэтому действие неонико-тиноидов на пчел интенсивно исследуется

[15]. В связи с тем, что мишенью действия неоникотиноидов являются н-холиноре-

цепторы насекомых-паразитов, не вызывает сомнений, что они могут быть токсичными и для пчел, и это показано в целом ряде лабораторных исследований [15]. В то же время в обзорной статье Н. Карре-ка и Ф. Ратниекса, опубликованной в 2014 году, целесообразность запрета на использование неоникотиноидов для защиты пчел ставится под сомнение [16].

Дело в том, что токсичность неоникотиноидов для пчел легко выявляется в лабораторных экспериментах [15], но исследования пчел, проводившиеся в реальных полевых условиях в течение ряда лет, не выявили достоверного негативного влияния неоникотиноидов в условиях их использования на колонии пчел [16].

Заключение

В ходе эволюции Metazoa появились глубокие различия как молекулярной организации, так и фармакологической чувствительности н-холинорецепторов в организмах человека и животных, как позвоночных, так и беспозвоночных. Эти различия являются основой использования современных инсектицидов и не-матоцидов с избирательным действием на организмы паразитических беспозвоночных. В то же время в растениеводстве продолжается достаточно широкое использование в качестве нематоцидов и инсектицидов не агонистов н-холи-норецепторов, а ингибиторов ацетил-холинэстеразы, фосфорорганических и карбаматных. Поэтому существует настоятельная необходимость создания нематоцидов-агонистов н-холинорецеп-торов с достаточной эффективностью и рентабельностью для борьбы с паразитическими нематодами, для которых организмами-хозяевами являются сельскохозяйственные растения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Satelle D.B. Invertebrate nicotinic acetylcholine receptors - targets for chemicals and drugs important in agriculture, veterinary medicine and human health // J. Pestic. Sci., 2009, vol. 34,

pp. 233-240.

2. Tomizawa M., Casida J.E. Selective toxicity of neonicotinoids attributable to specificity of insect and mammalian nicotinic receptors // Annu. Rev. Entomol, 2003, vol. 48. pp. 339-364.

3. Bass C., Denholm I., Williamson M.S., Nauen R. The global status of insect resistance to neonicotinoid insecticides // Pestic. Biochem. Physiol, 2015, vol. 121, pp. 78-87.

4. Sparks T.C., Nauen R. IRAC: Mode of action classification and insecticide resistance management // Pestic. Biochem. Physiol, 2015, vol. 121, pp. 122-128.

5. Lansdell S.J., Collins T., Goodchild J., Millar N.S. The Drosophila nicotinic acetylcholine receptor subunits Da5 and Da7 form functional homomeric and heteromeric ion channels // BMC Neurosci, 2012, vol. 13, e73.

6. Pereira L., Kratsios P., Serrano-Saiz E., Sheftel H., Mayo A.E., Hall D.H., White J.G., LeBoeuf B., Garcia L.R., Alon U., Hobert O. A cellular and regulatory map of the cholinergic nervous system of C. elegans // eLIFE, 2015, vol. 4, e12432.

7. van Nierop P., Bertrand S., Munno D.W., Gouwenberg Y., van Minnen J., Spafford J.D., Syed N.I., Bertrand D., Smit A.B. Identification and functional expression of a family of nicotinic acetylcholine receptor subunits in the central nervous system of the mollusc Lymnaea stagnalis // J. Biol. Chem, 2006, vol. 281, pp. 1680-1691.

8. Sparks T.C., Watson G.B., Loso M.R., Geng C., Babcock J.M., Thomas J.D. // Pestic. Biochem. Physiol, 2013, vol. 107, pp. 1-7.

9. Baron R.L. A carbamate insecticide: a case study of aldicarb // Environ. Health Perspect, 1994, vol.

102, pp. 23-27.

10. Tomlin C.D.S. (ed.) The pesticide manual: a world compendium. 15th ed. - Alton, Hampshire: BCPC, 2009. - 1457 p.

11. Mineau P., Baril A., Collins B.T., Duffe J., Joerman G., Luttik R. Pesticide acute toxicity reference values for birds // Rev. Environ. Contam. Toxicol, 2001, vol. 170, pp. 13-74.

12. Sánchez-Bayo F. Comparative acute toxicity of organic pollutants and reference values for crustaceans. I. Branchiopoda, Copepoda and Ostracoda // Environ. Pollut, 2006, vol. 139, pp. 385-420.

13. Sánchez-Bayo F. Insecticides mode of action in relation to their toxicity to non-target organisms // J. Environ. Analytic Toxicol, 2011, S4, e002.

14. Kudelska M.M., Holden-Dye L., O'Connor V., Doyle D.A. Concentration-dependent effects of acute and chronic neonicotinoid exposure on the behavior and development of the nematode Caenorhabditis elegans // Pest Manag. Sci, 2017, vol. 73, pp. 1345-1351.

15. Blackquière T., Smagghe G., van Gestel C.A.M., Mommaerts V. Neonicotinoids in bees: a review on concentrations, side-effects and risk assessment // Ecotoxicol, 2012, vol. 21, pp. 973-992.

16. Carreck N.L., Ratnieks F.L.W. The dose makes the poison: have "field realistic" rates of exposure of bees to neonicotinoid insecticides been overestimated in laboratory studies? // J. Apicultural Res, 2014, vol. 53, pp. 607-614.

17. Comission implementing regulation No 485/2013 of 24 May 2013 amending Implementing Regulation (EU) No 540/2011, as regards the condition of approval of the active substances clothianidin, thiamethoxam and imidacloprid, and prohibiting the use and he sale of seeds treated with plant protection products containing those active substances // Official J. EU, 2013, vol. L139, pp. 12-26.

Материал поступил в редакцию 27.05.2019 © Калинникова Т.Б., Егорова А.В., Гайнутдинов Т.М., Гайнутдинов М.Х., 2019