Molecular analysis of the adaptation of herbivoros insects to calotropis procera cardenolides: biochemical and ecological aspects

The plant Calotropis procera synthesizes a variety of secondary metabolites, such as cardenolides, a type of toxic metabolite of defense against herbivores. Thirty-five cardenolides have already been identified in C. procera and had their molecular structure resolved. Cardenolides are toxic by inhibiting the enzymatic activity of ATPases of Na+/K+, causing cell death. However, herbivorous insects Danaus plexippus (Lepidoptera), Oncopeltus fasciatus and Aphis nerii (Hemiptera) are capable of using C. procera as host. Why does the plant synthesize a variety of cardenolides? Which are the structural and chemical characteristics of these molecules? How do these herbivores prevent the action of these metabolites? In this work, the C. procera cardenolides were classified in three groups, one of them with three subgroups, according to their structural characteristics. The hydropaticity index was defined through the partition coefficient log (Log P). Three-dimensional (3D) models of the ATPα1 of Na+/K+ from D. plexippus, O. fasciatus and A. nerii were constructed through comparative modeling using the SWISS-MODEL and Phyre2 servers, and were subsequently validated and refined. After refinement, the 3D structures were validated again. The binding site of cardenolides in the 3D structures of these three enzymes was identified and analyzed. With the aid of structural data described in the literature about the binding of ouabain (the most commonly used cardenolides for toxicity studies) in ATPα1 of Na+/K+, it was proposed that the resistance of D. plexippus, O. fasciatus, and A. nerii to the toxic effects of C. procera cardenolides is also related to amino acid substitutions with different chemical properties in specific enzyme sites. Probably, substitutions in positions 104, 115 and 302 have the higher effect on the increased insensitivity of the ATPα1 of Na+/K+ of these herbivores to cardenolides. Through molecular docking of the 3D structures of these ATPα1 of Na+/K+ with the cardenolides from C. procera was possible to establish a relationship between the specificity of polarity of the cardenolides sequestered by these herbivores and the selectivity of these metabolites about their ATPα1 of Na+/K+. Therefore, it is presumable that cardenolides that are not sequestered by these herbivores can bind in active site of their ATPα1 of Na+/K+, thus the selectivity of these metabolites to these enzymes is directly related to their polarity. It is concluded that C. procera diversifies the cardenolides structure in an attempt to any of them can interact with ATPα1 of Na+/K+ of the herbivores and promote their chemical defense. Insects, in turn, achieve the resistance excluding potentially toxic cardenolides from their bodies and sequestering those that are not selective for them or modifying the structure of the cardenolides, although this latter strategy is not metabolically known. A planta Calotropis procera sintetiza uma variedade de metabólitos secundários, dentre os quais se destacam os cardenolídeos, um tipo de metabólito tóxico de defesa contra herbívoros. Trinta e cinco cardenolídeos já foram identificados em C. procera e tiveram sua estrutura molecular estabelecida. Cardenolídeos são tóxicos ao inibir a atividade enzimática de ATPases Na+/K+, provocando a morte celular. Entretanto, os insetos herbívoros Danaus plexippus (Lepidoptera), Oncopeltus fasciatus e Aphis nerii (Hemiptera) são capazes de utilizarem C. procera como hospedeira. Porque a planta sintetiza tamanha variedade de cardenolídeos? Quais as características estruturais e químicas destas moléculas? Como esses herbívoros driblam a ação destes metabólitos? Neste trabalho, os cardenolídeos de C. procera foram classificados em três grupos, um deles com três subgrupos, de acordo com as suas características estruturais. O índice de hidropaticidade foi definido por meio do log do coeficiente de partição (Log P). Modelos tridimensionais (3D) das ATPα1 de Na+/K+ de D. plexippus, O. fasciatus e A. nerii foram construídos através da modelagem comparativa utilizando os servidores SWISS-MODEL e Phyre2, e posteriormente foram validados e refinados. Após refinamento, as estruturas 3D foram novamente validadas. O sítio de ligação de cardenolídeos nas estruturas 3D dessas três enzimas foi identificado e analisado. Com auxílio de dados estruturais descritos na literatura, sobre a ligação de ouabaína (cardenolídeo mais utilizado para estudos de toxicidade) em ATPα de Na+/K+, foi proposto que a resistência de D. plexippus, O. fasciatus e A. nerii aos efeitos tóxicos dos cardenolídeos de C. procera também está relacionada às substituições de aminoácidos com propriedades químicas diferentes em locais específicos das enzimas. Provavelmente, substituições nas posições 104, 115 e 302 exerçam o maior efeito sobre o aumento da insensibilidade das ATPα de Na+/K+ desses herbívoros aos cardenolídeos. Por meio dos procedimentos de docking molecular das estruturas 3D dessas ATPα1 de Na+/K+ com os cardenolídeos de C. procera foi possível estabelecer uma relação entre a especificidade na polaridade dos cardenolídeos sequestros por esses herbívoros e a seletividade desses metabólitos sobre suas ATPα de Na+/K+. Logo, é presumível que os cardenolídeos que não são sequestrados por esses herbívoros sejam capazes de se ligarem no sítio ativo de suas ATPα de Na+/K+, de modo que a seletividade desses metabólitos sobre essas enzimas está diretamente relacionada à sua polaridade. Conclui-se que a C. procera diversifica as estruturas dos cardenolídeos na tentativa de que algum deles possa interagir com ATPases de Na+/K+ de herbívoros e promover sua defesa química. Os insetos, por sua vez, alcançam a resistência, excluindo de seu organismo os cardenolídeos potencialmente tóxicos e sequestrando aqueles que não são seletivos para eles ou ainda modificando a estrutura do cardenolídeo, embora esta última estratégia não seja metabolicamente conhecida.