Los venenos de la rana diablito de Ecuador reflejan la diversidad química de su dieta: hormigas y ácaros

Investigadores de la Universidad de Harvard en cooperación con la Universidad Regional Amazónica Ikiam y el Centro Jambatu de Investigación y Conservación de Anfibios de la Fundación Otonga develaron detalles de la producción de toxinas en las ranas diablito del noroccidente de Ecuador.  Sus descubrimientos acaban de ser publicados en la revista indexada Journal of Chemical Ecology.

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Ant and Mite Diversity Drives Toxin Variation in the Little Devil Poison Frog

Jenna R. McGugan1 & Gary D. Byrd2 & Alexandre B. Roland1 & Stephanie N. Caty1 & Nisha Kabir3 & Elicio E. Tapia4 & Sunia A. Trauger2 & Luis A. Coloma4,5 &
 Lauren A. O’Connell1

¹
Center for Systems Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA

²Small Molecule Mass Spectrometry Facility, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA

³Cambridge Rindge and Latin High School, Cambridge, MA 02138, USA

⁴Centro Jambatu de Investigación y Conservación de Anfibios, Fundación Otonga, Quito, Ecuador

⁵ Ikiam, Universidad Regional Amazónica, Muyuna, Tena, Ecuador 

Oophaga sylvatica © Luis A. Coloma, Centro Jambatu

Resumen

Las ranas venenosas obtienen sus defensas químicas de artrópodos, aunque los detalles de cómo la diversidad de artrópodos contribuye a la variación de las toxinas de ranas venenosas ha sido poco clara. Caracterizamos los perfiles de alcaloides en la rana venenosa diablito, Oophaga sylvatica (Dendrobatidae) de tres poblaciones del noroccidente de Ecuador. Mediante el uso de espectrometría de masas/cromatografía de gases identificamos histrionicotoxinas, 3,5- y 5,8- indolizidines disustituidas, decahydroquinolinas y lehmizidinas como los alcaloides primarios tóxicos en estas poblaciones de O. sylvatica. La composición de alcaloides en la piel de las ranas varió a lo largo de un gradiente geográfico siguiendo la distribución de la población, según un análisis de componentes principales. También caracterizamos la diversidad de artrópodos obtenidos de los contenidos de los estómagos de las ranas y confirmamos que O. sylvatica se especializa en hormigas y ácaros. Para probar la hipótesis de que la variabilidad de toxinas en ranas venenosas refleja la diversidad de especies y química de los artrópodos, (1) utilizamos la secuencia de citocromo oxidasa 1 para identificar a cada presa, y (2) utilizamos cromatografía líquida/espectrometría de masas para obtener el perfil químico de las hormigas y ácaros comidos. Se identificaron 45 hormigas y 9 ácaros en los estómagos de las ranas, incluyendo varias especies aún no descritas para la ciencia. También se evidenció que los perfiles químicos de las hormigas y ácaros que se consumen se agrupan según la población de ranas, lo que sugiere que diferentes poblaciones de ranas tienen acceso a presas químicamente diferentes. Por último, mediante la comparación de los perfiles químicos de las pieles de las ranas y las presas aisladas, rastreamos la fuente de artrópodos de cuatro alcaloides en ranas venenosas, incluyendo indolizidinas 3,5- y 5,8-disustituidas y el alcaloide lehmizidina. En conjunto, los datos muestran que la variabilidad de toxinas en O. sylvatica reflejan la diversidad química de sus presas artrópodos.

Abstract

Poison frogs sequester chemical defenses from arthropod prey, although the details of how arthropod diversity contributes to variation in poison frog toxins remains unclear. We characterized skin alkaloid profiles in the Little Devil poison frog, Oophaga sylvatica (Dendrobatidae), across three populations in northwestern Ecuador. Using gas chromatography/mass spectrometry, we identified histrionicotoxins, 3,5- and 5,8-disubstituted indolizidines, decahydroquinolines, and lehmizidines as the primary alkaloid toxins in these O. sylvatica populations. Frog skin alkaloid composition varied along a geographical gradient following population distribution in a principal component analysis. We also characterized diversity in arthropods isolated from frog stomach contents and confirmed that O. sylvatica specialize on ants and mites. To test the hypothesis that poison frog toxin variability reflects species and chemical diversity in arthropod prey, we (1) used sequencing of cytochrome oxidase 1 to identify individual prey specimens, and (2) used liquid chromatography/mass spectrometry to chemically profile consumed ants and mites. We identified 45 ants and 9 mites in frog stomachs, including several undescribed species. We also showed that chemical profiles of consumed ants and mites cluster by frog population, suggesting different frog populations have access to chemically distinct prey. Finally, by comparing chemical profiles of frog skin and isolated prey items, we traced the arthropod source of four poison frog alkaloids, including 3,5- and 5,8-disubstituted indolizidines and a lehmizidine alkaloid. Together, the data show that toxin variability in O. sylvatica reflects chemical diversity in arthropod prey.

Proyecto Anfibios: Un gran salto al futuro; científicos Ecuatorianos y colaboradores descubren potentes moléculas de promisorio uso biomédico

Cruziohyla calcarifer © Luis A. Coloma, Centro Jambatu

Ver publicación: Journal of Peptidomics

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                                                      El Telégrafo

Peptidomic approach identifies cruzioseptins, a new family of potent antimicrobial peptides in the splendid leaf frog, Cruziohyla calcarifer

Carolina Proaño-Bolaños^a, , Mei Zhou^a, Lei Wang^a, Luis A. Coloma^{b, c}, Tianbao Chen^a, Chris Shaw^a

^a Natural Drug Discovery Group, School of Pharmacy, Queen's University Belfast, 97 Lisburn Road, BT9 7BL Belfast, Northern Ireland, UK

^b Centro Jambatu de Investigación y Conservación de Anfibios, Fundación Otonga, Geovanni Farina 566 y Baltra, San Rafael, Quito, Ecuador

^c Ikiam, Universidad Regional Amazónica, Muyuna, Tena, Ecuador

Resumen

Las ranas Phyllomedusinae son una fuente extraordinaria de péptidos biológicamente activos. Al menos 8 familias de péptidos antimicrobianos han sido reportados en este clado de ranas, las dermaseptinas son las más diversas. Mediante un enfoque peptidómico, integrando la clonación molecular, secuenciación por degradación Edman y espectrometría de masas, una nueva familia de péptidos antimicrobianos se ha identificado en Cruziohyla calcarifer. Estos 15 nuevos péptidos antimicrobianos de 20–32 residuos de longitud se denominan cruzioseptinas. Estos se caracterizan por tener una secuencia N-terminal compartida única GFLD- y la secuencia de motifs -VALGAVSK- o -GKAAL (N / G / S) V- (V / A) en la mitad del péptido. Las Cruzioseptinas tienen un amplio espectro de actividad antimicrobiana y bajo efecto hemolítico. La más potente cruzioseptina fue CZS-1 que tubo una MIC de 3,77 μM contra la bacteria Gram positiva, Staphylococcus aureus y la levadura Candida albicans. Por el contrario, CZS-1 fue 3 veces menos potente contra la bacteria Gram negativa, Escherichia coli (MIC 15,11 μM). CZS-1 alcanzó el 100% de hemólisis en 120.87 μM   Las secreciones de la piel de especies no investigadas como C. calcarifer siguen demostrando la enorme diversidad molecular escondida en la piel de los anfibios. Algunos de estos nuevos péptidos pueden proporcionar estructuras básicas para el desarrollo de una clase nueva de antibióticos y antifúngicos de uso terapéutico.

Importancia biológica

A través de la combinación de la clonación molecular, la secuenciación por degradación de Edman, espectrometría de masas y MALDI-TOF MS hemos identificado una nueva familia de 15 péptidos antimicrobianos en la secreción de la piel de Cruziohyla calcarifer. La nueva familia se denomina "Cruzioseptinas" y contiene péptidos anfipáticos catiónicos de 20–32 residuos. Tienen una amplia gama de actividad antimicrobiana, que también incluye antifúngicos eficaces con baja actividad hemolítica. Por lo tanto, C. calcarifer ha demostrado ser una fuente rica de nuevos péptidos, que podrían convertirse en estructuras básicas para el desarrollo de nuevos antibióticos y antifúngicos de aplicación clínica.

Abstract

Phyllomedusine frogs are an extraordinary source of biologically active peptides. At least 8 families of antimicrobial peptides have been reported in this frog clade, the dermaseptins being the most diverse. By a peptidomic approach, integrating molecular cloning, Edman degradation sequencing and tandem mass spectrometry, a new family of antimicrobial peptides has been identified in Cruziohyla calcarifer. These 15 novel antimicrobial peptides of 20–32 residues in length are named cruzioseptins. They are characterized by having a unique shared N-terminal sequence GFLD– and the sequence motifs –VALGAVSK– or –GKAAL(N/G/S) (V/A)V– in the middle of the peptide. Cruzioseptins have a broad spectrum of antimicrobial activity and low haemolytic effect. The most potent cruzioseptin was CZS-1 that had a MIC of 3.77 μM against the Gram positive bacterium, Staphylococcus aureus and the yeast Candida albicans. In contrast, CZS-1 was 3–fold less potent against the Gram negative bacterium, Escherichia coli (MIC 15.11 μM). CZS-1 reached 100% haemolysis at 120.87 μM. Skin secretions from unexplored species such as C. calcarifer continue to demonstrate the enormous molecular diversity hidden in the amphibian skin. Some of these novel peptides may provide lead structures for the development of a new class of antibiotics and antifungals of therapeutic use.

Biological significance

Through the combination of molecular cloning, Edman degradation sequencing, tandem mass spectrometry and MALDI-TOF MS we have identified a new family of 15 antimicrobial peptides in the skin secretion of Cruziohyla calcarifer. The novel family is named “Cruzioseptins” and contains cationic amphipathic peptides of 20–32 residues. They have a broad range of antimicrobial activity that also includes effective antifungals with low haemolytic activity. Therefore, C. calcarifer has proven to be a rich source of novel peptides, which could become leading structures for the development of novel antibiotics and antifungals of clinical application.