Het mechanisme van bacteriële toxines bij dodelijke aanvallen

Newswise – Slechts een duizendste van een milligram bacterieel botulinumtoxine is nodig om een ​​organisme te doden. Het gif onthult zijn dodelijke effect door de afgifte van neurotransmitters te blokkeren op het punt waar zenuwcellen zich hechten aan spieren, waardoor ze verlammen. Zo simpel als dat, dit proces is eigenlijk een complexe en meertraps procedure. Niet minder complex en effectief is in feite het proces van vergiftiging met toxinecomplexen (Tc), virulentiefactoren van veel bacteriën, waaronder menselijke pathogenen en insecten.

Bacteriële injectie levert een dodelijk enzym af

Het werkingsmechanisme van Tc-toxines werd onlangs grotendeels onthuld door het werk van Stefan Raunser’s team in structurele biologie bij MPI Dortmund. “Door de structuur en assemblage van de toxine Tc-subeenheden te ontrafelen door cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) hebben we de belangrijkste stappen van toxineactivering en membraanpenetratie kunnen begrijpen”, zegt Raunser. De wetenschappers toonden aan dat de subeenheden van het Tcoxin-complex samenwerken als een injectie (link naar vorig persbericht): zodra de subeenheden zijn samengevoegd, openen structurele veranderingen in het complex een cocon die een giftig enzym bevat, dat vervolgens wordt uitgescheiden in een uniek injectiemechanisme via een kanaal naar de gastheercel (link). Daar onthult het zijn dodelijke effect door de organisatie van het cytoskelet van de cel te verstoren, dat bestaat uit een netwerk van gepolymeriseerde actine (F-actine) filamenten die betrokken zijn bij veel essentiële cellulaire processen.

De tegenstander voorbereiden door de slagafstand te verkleinen

“We hebben lang geworsteld om een ​​volledig beeld te krijgen van het toxiciteitsproces, omdat we de structurele gegevens voor uitgescheiden enzymen misten, waaronder TccC3”, zegt Raunser. Tot voor kort was het alleen bekend dat TccC3 een ADP-ribosedeel overdraagt ​​aan actine om afwijkende polymerisatie te bevorderen, wat resulteert in klontering van actinefilamenten. “TccC3 is wat we noemen een ‘moeilijk’ systeem voor structureel onderzoek vanwege zijn omvang en hoge flexibiliteit”, zegt Hartmut Oskinat. “Alleen door de NMR-oplossing toe te passen, kunnen we deze uitdaging overwinnen en voor het eerst de 3D-structuur van een eiwit visualiseren.” Door twee andere cryo-EM-snapshots van TccC3 gebonden aan F-actine en gemodificeerd F-actine alleen te fuseren, ontdekten de wetenschappers het unieke werkingsmechanisme van het enzym. “TccC3 gedraagt ​​zich als een bokser die zijn tegenstander neerzet om hem kwetsbaar te maken voor aanvallen”, zegt Stefan Raunser. In de eerste stap bindt het enzym aan een gebied tussen twee opeenvolgende actine-subeenheden van F-actine. TccC3 opent dan een gateway, die het NAD+-molecuul met de ADP-ribosegroep op loopafstand naar een interactieve site op actine brengt. Zodra de massieve ADP-ribosegroep is overgebracht naar F-actine, is deze niet langer toegankelijk voor depolymerisatiemiddelen, omdat F-actine niet langer kan worden afgebroken en dus kan agglomereren.

Naast deze ontdekking hielpen de bevindingen van de wetenschappers bij het formuleren van een verklaring voor de verbazingwekkend hoge efficiëntie van het enzym. Wanneer het enzym zich losmaakt van F-actine, voorkomt zijn portaalmechanisme een nutteloze terugkeer naar het reeds gewijzigde actine als voorbereiding op de volgende aanval. “Het is verbazingwekkend hoe al deze mechanismen zijn geëvolueerd om de potentie van toxines te maximaliseren. De natuur heeft goed werk geleverd omdat botulinum, ricine en andere biotoxinen nog steeds worden beschouwd als de meest bekende giftige stoffen”, besluit Raunser.