Spinnengift. ist ein ganz besonderer Saft. Wolfgang Nentwig Lucia Kuhn-Nentwig. Universität Bern

Transkript

1 Spinnengift ist ein ganz besonderer Saft Wolfgang Nentwig Lucia Kuhn-Nentwig Universität Bern

2 1,9 Millionen Arten weltweit

3 Spinnen sind eine Erfolgsgeschichte weltweit Arten in Europa 4500 CH 1000 vor allem wegen ihres Giftes

4 Vorderkörper Hinterkörper Körperlänge

5 Gliederspinnen (Mesothelae): Liphistius Vorderkörper Hinterkörper Körperlänge

6 Vogelspinnen (Mygalomorphae) Vorderkörper Hinterkörper Körperlänge

7 Moderne Spinnen (Araneomorphae) Vorderkörper Hinterkörper Körperlänge

8 Alle Spinnen sind giftig (sehr wenige Ausnahmen) Wozu Gift? Beutefang: häufigste Nahrung: Insekten Gift ist optimiert für Insekten Wirbeltiere (Mensch) normalerweise keine Beute Die meisten Spinnen sind sehr klein Dornfinger Cheiracanthium

9 Für den Menschen giftige Arten Loxosceles (Sicariidae) (weltweit) Latrodectus (Theridiidae) (weltweit) Atrax (Atracidae) (Australien) Phoneutria (Ctenidae) (Brasilien) Todesfälle weltweit (soweit Statistiken) letzte Jahre: fast null

10 Spinnenbissstudie Schweiz Zoropsis spinimana 5 Cheiracanthium punctorium 4 Eratigena atrica 3 Tegenaria ferruginea 1 Amaurobius ferox 1 = 14 Bisse in 2 Jahren = 1 Biss / 1 Mio Bevölkerung = 10 Bisse / 1 Mio Bevölkerung Nentwig, Gnädinger, Fuchs, Ceschi (2013) Toxicon 73:

11 Wirklich gefährliche Tiere in der Schweiz? Jährlich Bisse durch Hunde 8 Invalidenrenten (SUVA-Statistik) Jährlich 3-4 Todesfälle durch Wespen + Bienen Weltweit > Bisse jährlich durch Schlangen > Todesfälle weltweit

12 Teil 1 Ökophysiologie des Spinnengiftes Teil 2 Biochemie des Spinnengiftes

13 Teil 1 Ökophysiologie des Spinnengiftes

14 Teil 1 Ökophysiologie des Spinnengiftes Cupiennius salei Ctenidae

15 Eine Spinne fällt Entscheidungen Entscheidung Hunger? Giftdrüsen? Angriff Injektion Giftmenge Art? Grösse? Giftempfindlichkeit? Aggressivität? Gefahr?

16 Eggs, Wolff, Kuhn-Nentwig, Gorb, Nentwig (2015) Ethology 121:

17

18 Giftempfindlichkeit: LD 50 Schabe Nauphoeta cinerea 17.3 nl / mg Laufkäfer Poecilus cupreus 3.6 Schabe Blaberus sp. 2.5 Heimchen Acheta domesticus 2.06 Ctenidae Cupiennius salei 1.9 Nachtfalter Spodoptera litoralis 0.53 Schabe Blatta orientalis 0.2 Essigfliege Drosophila melanogaster Kuhn-Nentwig, Bücheler, Studer, Nentwig (1998) Naturwissenschaften 85:

19 Die Spinne als Rechenkünstler Schabe Nauphoeta LD nl / mg 500 mg 8500 nl Gift 8.5 l in Giftdrüsen Regenerationszeit 8-12 l 10 Tage Spinnen müssen rechnen und Gift sparen!

20 Giftvolumen Malli, Imboden, Kuhn-Nentwig (1998) Toxicon 36: (1) Kleine Beute wenig Gift grosse Beute viel Gift Wieviel Gift wird injiziert? ELISA-Test spezifische (monoklonale) Antikörper Test nach Giftinjektion Eichkurve Bestimmung der injizierten Menge Farbreaktion

21 injiziertes Giftvolumen (μl) Malli, Imboden, Kuhn-Nentwig (1998) Toxicon 36: (1) Kleine Beute wenig Gift grosse Beute viel Gift Heimchen (mg)

22 (2) Harmlose Tiere wenig Gift gefährliche Tiere viel Gift Wehrhaftigkeit gemessen als Frequenz des toten magnetisierten Tieres Malli, Kuhn-Nentwig, Imboden, Nentwig (1999) J Exp Biol 202:

23 injiziertes Giftvolumen (μl) (2) Harmlose Tiere wenig Gift gefährliche Tiere viel Gift keine schwache mittlere hohe Frequenz keine 1 min 2.5 min 5 min Vibrationsdauer Malli, Kuhn-Nentwig, Imboden, Nentwig (1999) J Exp Biol 202:

24 injiziertes Giftvolumen (nl/mg) (3) Giftempfindliche Beute wenig Gift giftunempfindliche Beute viel Gift Heimchen Stabheuschrecke Schmeissfliege Laufkäfer Wigger, Kuhn-Nentwig, Nentwig (2002) Toxicon 40:

25 Wullschleger, Nentwig (2002) Functional Ecology 16: (4) Cupiennius weiss genau, wieviel Gift noch in den Giftdrüsen ist Nauphoeta cinerea Blatta orientalis nl / mg 86 x

26 zuerst attackierte Schaben Wullschleger, Nentwig (2002) Functional Ecology 16: (4) Cupiennius weiss genau, wieviel Gift noch in den Giftdrüsen ist Number of first attacked cockroaches full venom glands ** * empty venom glands (electrical) empty venom glands (crickets) Giftdrüsen voll Giftdrüsen leer Giftdrüsen leer elektrisch Heimchen keine Art bevorzugt

27 zuerst attackierte Schaben Wullschleger, Nentwig (2002) Functional Ecology 16: (4) Cupiennius weiss genau, wieviel Gift noch in den Giftdrüsen ist Number of first attacked cockroaches full venom glands ** * empty venom glands (electrical) empty venom glands (crickets) Giftdrüsen voll Giftdrüsen leer Giftdrüsen leer elektrisch Heimchen keine Art bevorzugt giftempfindlichere Art bevorzugt

28 Teil 1 Fazit: Ökophysiologie Spinnen sammeln Informationen über Beute sorgfältiges Abwägen wohldosierte Injektion Gift ist sehr wertvoll 10 Tage Herstellungszeit Foelix 2015

29 Teil 2 Biochemie des Spinnengiftes niedermolekulare Substanzen zytolytische Peptiden Neurotoxine Enzyme Kuhn-Nentwig, Stöcklin, Nentwig (2011) Adv Ins Physiol 40: 1-86

33 Teil 2 Biochemie des Spinnengiftes niedermolekulare Substanzen zytolytische Peptiden Neurotoxine Enzyme Analyse von Transkriptomen: Pro Spinnenart 100 und mehr Substanzen Kuhn-Nentwig, Stöcklin, Nentwig (2011) Adv Ins Physiol 40: 1-86

34 Neurotoxine Zellmembran Nervenzellen Muskelzellen usw

35 Neurotoxine Blockade Zellmembran Ionenkanäle Steuerung geschlossen offen Nervenzellen Muskelzellen usw

36 Neurotoxine Es gibt viele Ionenkanaltypen für unterschiedliche Ionen Steuerungsmöglichkeiten Organe, Gewebe Insektenarten

37 Neurotoxine Es gibt viele Ionenkanaltypen für unterschiedliche Ionen Steuerungsmöglichkeiten Organe, Gewebe Insektenarten Spinnen reagieren darauf mit verschiedenen Neurotoxinen spezifisch für. sehr variabel

38 Neurotoxine Disulfidbrücken Inhibitor cysteine knot ICK Motiv 1-4, 2-5, 3-8, 6-7 Kuhn-Nentwig, Schaller, Nentwig (2004) Toxicon 43:

39 Neurotoxine HPLC Transkriptomanalyse 66 verschiedene Neurotoxine 55 ICK Motiv 18 Gruppen Kuhn-Nentwig, Schaller, Nentwig (1994) Toxicon 32: Kuhn-Nentwig, Schaller, Nentwig (2004) Toxicon 43: Kuhn-Nentwig, Schaller, Schürch, Nentwig (2015) Spider venoms. Springer

40 Neurotoxine CsTx-27/40 CsTx- und neurotoxinartige Strukturen CsTx-20/21/22 CsTx-9/33 CsTx-1 CsTx-10/11 CsTx-8/12/13 66 verschiedene Neurotoxine sehr hohe Variation in einer Spinnenart Kuhn-Nentwig, Nentwig (2013) Spider ecophysiology. Springer

41 Zytolytische Peptide Lineare Peptide Cupiennine 35 Aminosäuren 8 Lysine (K) basisch Helix-Knick-Helix Struktur NMR Struktur amphipathisch Ladungsverteilung Kuhn-Nentwig, Dathe, Walz, Schaller, Nentwig (2002) FEBS Lett 527: ; Pukala, Boland, Gehmann, Kuhn-Nentwig, Separovic, Bowie (2007) Biochemistry 46:

42 Zytolytische Peptide Cu1a

43 Zytolytische Peptide Zerstören Zellmembranen von Prokaryoten Escherichia coli Escherichia faecalis Staphylococcus aureus Pseudomonas aeruginosa und Eukaryoten Trypanosoma brucei + cruzi Plasmodium falciparum Krebszellen in Gewebekultur aber auch Erythrozyten und andere Blutzellen Muskelzellen usw Kuhn-Nentwig, Willems, Seebeck, Shalaby, Kaiser, Nentwig (2011) Amino Acids 40:69-76

44 Cupiennin 1 Familie Cu 1a Cu 1b Cu 1c Cu 1d Cupiennin 2 Familie Cu 2a Cu 2b Cu 2c Cu 2d Cu 2e Cupiennin 3 Familie Cu 3a Cu 3b Cu 3c Cu 3d Zytolytische Peptide Repeat GFGALFKFLAKKVAKTVAKQAAKQGAKYVVNKQME* GFGSLFKFLAKKVAKTVAKQAAKQGAKYIANKQME* GFGSLFKFLAKKVAKTVAKQAAKQGAKYIANKQTE* GFGSLFKFLAKKVAKTVAKQAAKQGAKYVANKHME* Repeat GFGTILKALAKIAGKVVKKLATKPGATYMLKENLK* AFGTILKALAKIAAKVVKKLATKPGATYMLKQNLQ* AFGTILKALAKIAGKVVKKLATKPGATYMLKENLQ* GFGTILKALAKIAGKVVKKLATKPGATYMLKQNLQ* AFGTILKALAKIAAKAVKKLATKPGATYMLKQNLE* Repeat GFGSLFKFLGKKLLKTVAKQAAKKQME* GFGSLFKFLGKKVLKTVAKQAAKKQME* GFGSLFKFLGKKLAKTVAKQAAKKQME GFGALFKFLAKKVAKTVAKQVAKKQME* 7 Familien 27 Cupiennine 7 Familien Trachsel et al (2012) FEBS J 279: ; Kuhn-Nentwig, Schürch, Nentwig (2015) Spider venoms. Springer

45 Biner, Trachsel, Moser, Kopp, Langenegger, Kämpfer, von Ballmoos, Nentwig, Schürch, Schaller, Kuhn-Nentwig (2015) PLoS ONE 10 Enzyme Hyaluronidase spaltet Glykosamin-Glykane Bindegewebe Hyaluronan Wirbeltiere Chondroitin Wirbellose Wirbeltiere

46 Kuhn-Nentwig, Schaller, Nentwig (1994) Toxicon 32: Niedermolekulare Substanzen Kalium (215 mm statt 10 mm in Hämolymphe) Elektrolytstörung Beeinträchtigung von Muskelzellen alle Aminosäuren inkl. Taurin Amine (u.a. Histamin erzeugt Schmerz) Polyamine Neurotransmitter

47 Giftig ist eine Gemeinschaftsleistung Neurotoxine greifen Ionenkanäle an Hyaluronidase zerstört Bindegewebe Zytolytische Peptide zerstören Zellmembranen Enhancer verstärken Wirkungen (Synergismen)

48 Injektionsstelle Drosophila melanogaster CsTx-1 Neurotoxin 6 µm 39% Mortalität CsTx-13 Verstärker 0.7 µm 0% CsTx-1 + CsTx-13 96% 2,5 fache Verstärkung = Synergismus Wullschleger, Kuhn-Nentwig, Tromp, Kämpfer, Schaller, Schürch, Nentwig (2004) PNAS 101:

49 Zytolytische P. Cupiennine 52-65% Hyaluronidase ~50% ~58% Neurotoxine ~65% Enhancer Verstärker 20% 20% Histamin 20% KCl

50 Warum so viele Substanzen? Mehrere Wirkstoffgruppen Synergismen / Verstärkung Geringste Mengen maximale Wirkung Redundanz und Variationen Spielerisches Ausprobieren neuer Wirkstoffe Resistenzschutz Vorrat / Versicherung für die Zukunft Kuhn-Nentwig, Stöcklin, Nentwig (2011) Adv Ins Physiol 40: 1-86

51 Hat Spinnengift eine Milliardenzukunft? Spinnenarten bekannt viele noch zu entdecken Spinnenarten vermutet 100 Substanzen pro Art 10 Millionen Substanzen weltweit 90% artspezifisch (9 Mio Substanzen) 1% artspezifisch (0.1 Mio) kombinatorische Bibliothek bioaktive Moleküle Kuhn-Nentwig, Stöcklin, Nentwig (2011) Adv Ins Physiol 40: 1-86

52 Wieso Milliardenzukunft? Spinnengift viele Einzelkomponenten unterschiedliche Wirkungsweise speziell an Nervenzellen blockiert Schmerzrezeptoren Viele Erkrankungen des Nervensystems chronischer Schmerz Parkinson, Alzheimer, etc. Intensive Forschung noch lange kein Durchbruch vermehrt Zweifel

53 Herzlichen Dank Viele Mitarbeiter Schweizerischer Nationalfonds