Botulinumtoxin X entdeckt, mit neuen Eigenschaften – Vector blog

Botulismus ist eine seltene, potenziell tödliche Lähmungskrankheit. Sie ist der Grund, warum wir Säuglingen keinen Honig geben sollten und warum wir beim Verzehr von selbst eingemachten Lebensmitteln vorsichtig sein müssen: Sie können potenziell nervenschädigende Toxine enthalten, die von Clostridium botulinum produziert werden. Botulinumtoxin wird als einer der sechs gefährlichsten potenziellen Bioterrorismus-Agenten eingestuft.

Es gibt sieben bekannte Arten von Botulinumtoxin. Die Toxine A und B wurden erstmals 1919 identifiziert und 1946 bzw. 1947 erstmals gereinigt. (Beide werden auch medizinisch verwendet.) Die Toxine C, D, E und F folgten später. Das letzte, Toxin G, wurde 1969 in Bodenbakterien in Argentinien entdeckt.

Und so ist es bis heute geblieben. Aber um sich wirklich gegen Botulismus zu schützen, müssen wir alle Toxine kennen, die von den verschiedenen C. botulinum-Stämmen gebildet werden, da für jedes ein eigener Antikörper erforderlich ist, um es zu neutralisieren.

„Lange Zeit wurden keine neuen Toxine gefunden“, sagt Min Dong, PhD, Assistenzprofessor in der Abteilung für Urologie des Boston Children’s Hospital und der Abteilung für Mikrobiologie und Immunbiologie der Harvard Medical School. „Wir haben neue Subtypen gefunden, aber kein völlig neues Toxin. Die Frage war, wann wir ein solches finden würden und wo wir danach suchen sollten.“

Im Jahr 2013 hatte eine Gruppe in Kalifornien etwas, das wie ein neues Toxin, Typ H, aussah, aber es erwies sich als falscher Alarm: Als das Protein schließlich sequenziert wurde, stellte sich heraus, dass es eine Kombination aus zwei bestehenden Toxinen war (ein Subtyp von Toxin F mit einem Teil von Toxin A).

Letzte Woche berichten Dong und Kollegen in Nature Communications über das erste neue Botulinumtoxin, das seit fast 50 Jahren gefunden wurde. Es wird vorläufig Toxin X genannt und hat einige ungewöhnliche Eigenschaften, die es von den anderen unterscheidet.

„Von der Sequenz her sieht es wie kein anderes Toxin aus, und es kann von Antikörpern gegen kein anderes bekanntes Botulinumtoxin erkannt werden“, sagt Dong.

Wiederaufnahme eines ungelösten Falls

Die Bakterien, die Toxin X produzieren, waren in den 1990er Jahren in Japan isoliert worden. Der Stamm, der Fälle von Säuglingsbotulismus verursacht hatte, wurde ordnungsgemäß kategorisiert, und seine Toxizität wurde dem Toxin B zugeschrieben. Das Bakterium wurde sequenziert, und die Sequenz, die für Toxin B kodiert, wurde gefunden.

Damit schien die Geschichte zu Ende zu sein. „Es wurde beiseite gelegt“, sagt Dong.

Aber 2015 sequenzierte eine andere japanische Gruppe das Genom des Bakteriums und stellte die Sequenz in eine öffentliche Datenbank ein.

„Was sie in dieser Genomsequenz vermissten, war ein Stück, das dieses neue Toxin-Gen enthielt“, sagt Dong.

Pål Stenmark von der Universität Stockholm in Schweden bemerkte dies zuerst in einer bioinformatischen Analyse. Das neue Gen wies alle Merkmale eines funktionellen Toxins auf.

„Wir arbeiten seit langem mit Pål an der Struktur und Funktion von Botulinumtoxinen zusammen“, sagt Dong. „Er kam mit diesen Informationen zu mir, und wir beschlossen, unsere Kräfte zu bündeln und das Toxin funktionell zu kategorisieren.“

Unter der Leitung des Postdoktoranden Sicai Zhang, PhD, validierten die Forscher die Aktivität des Toxins, indem sie es im Labor künstlich zusammensetzten. „Wir beschlossen, die Erzeugung des aktiven Toxin-Gens in voller Länge zu vermeiden, da die Einführung eines Toxin-Gens in einen Organismus oder ein zelluläres System immer mit erheblichen Bedenken hinsichtlich der biologischen Sicherheit verbunden ist“, so Dong. „Stattdessen entwickelten wir einen Ansatz, um eine begrenzte Menge Toxin in Reagenzgläsern zu erzeugen, indem wir zwei ungiftige Fragmente miteinander verbanden.“

Dieser Ansatz lieferte alle Elemente, die nötig sind, um zu verstehen, wie Toxin X funktioniert. Jie Zhang, PhD, ein leitender Wissenschaftler in Dongs Labor, konnte zeigen, dass es bei Mäusen ähnliche Lähmungen verursacht wie andere Botulinumtoxine.

Therapeutische Anwendungen?

Die Überraschung blieb nicht aus. In weiteren Studien fand das Labormitglied Sicai Zhang, PhD, heraus, dass Botulinumtoxin X dieselbe Gruppe von Nervenproteinen spaltet, auf die andere Botulinumtoxine abzielen. Aber es spaltet auch eine Gruppe von Proteinen, die keines der anderen Toxine berührt.

„Typ X hat die einzigartige Fähigkeit, VAMP4, VAMP5 und Ykt6 zu spalten“, erklärt Dong. „Einige dieser Proteine sind nur unzureichend charakterisiert, so dass das Toxin vom Typ X ein wertvolles Instrument zur Definition ihrer Funktionen sein wird.“

Die zusätzlichen Ziele könnten dem Toxin X bei medizinischer Anwendung andere Eigenschaften verleihen. Die Botulinumtoxine A und B werden derzeit zur Behandlung von Spastizität, chronischen Schmerzen, überaktiver Blase und Faltenentfernung eingesetzt, um nur einige Anwendungsgebiete zu nennen. Sie wirken, indem sie Proteine in den Nervenenden abschneiden, die die Ausschüttung von Neurotransmittern und damit die Kommunikation der Neuronen beeinflussen. Die Auswirkungen des Schneidens der zusätzlichen Proteine müssen noch erforscht werden.

„Kann dieses neue Toxin einen zusätzlichen therapeutischen Nutzen bringen? Das ist eine spannende Frage, auf die wir im Moment noch keine Antwort haben“, sagt Dong. „Wir kennen auch noch nicht die Potenz dieses Toxins.

Für Dong ist der Entdeckungsprozess ebenso überzeugend wie die Ergebnisse.

„Normalerweise entdeckt man bakterielle Virulenzfaktoren, indem man die Folgen einer Infektion untersucht und die Proteine und Gene findet“, sagt er. „In diesem Fall wurde das Toxin durch die Sequenzierung des gesamten Genoms der Bakterien entdeckt. Dies verdeutlicht die Bedeutung der Genetik und der Bioinformatik für das Verständnis der mikrobiellen Welt.“