Botuliinitoksiini X löydetty, uusia ominaisuuksia – Vector-blogi

Botulismi on harvinainen, mahdollisesti kuolemaan johtava halvaannuttava sairaus. Se on syy siihen, miksi meidän ei pitäisi syöttää imeväisille hunajaa ja miksi meidän on oltava varovaisia kotisäilykkeiden nauttimisessa: ne voivat mahdollisesti sisältää Clostridium botulinum -botulinumin tuottamia hermoja vahingoittavia toksiineja. Botuliinitoksiini on luokiteltu yhdeksi kuudesta vaarallisimmasta mahdollisesta bioterrorismin aiheuttajasta.

Botuliinitoksiinia tunnetaan seitsemän eri tyyppiä. Toksiinit A ja B tunnistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1919 ja puhdistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1946 ja 1947. (Molempia käytetään myös lääketieteellisesti.) Toksiinit C, D, E ja F seurasivat myöhemmin. Viimeinen, toksiini G, tunnistettiin vuonna 1969 maaperän bakteereista Argentiinassa.

Ja siinä se on pysynyt tähän asti. Mutta jotta voisimme todella puolustautua botulismia vastaan, meidän on tunnettava kaikki eri C. botulinum -kantojen tuottamat toksiinit, sillä kukin vaatii erillisen vasta-aineen neutralisoimiseksi.

”Pitkään aikaan ei ole löydetty uusia toksiineja”, sanoo tohtori Min Dong, apulaisprofessori Bostonin lastensairaalan urologian laitokselta ja Harvardin lääketieteellisen tiedekunnan mikrobiologian ja immunobiologian osastolta. ”Olemme löytäneet uusia alatyyppejä, mutta emme täysin uutta toksiinia. Kysymys on ollut siitä, milloin löytäisimme sellaisen ja mistä sitä etsittäisiin.”

Vuonna 2013 eräällä kalifornialaisella ryhmällä oli käytössään jotain, mikä näytti uudelta toksiinilta, H-tyyppi, mutta se osoittautui vääräksi hälytykseksi: kun proteiini lopulta sekvensoitiin, sen havaittiin olevan yhdistelmä kahdesta jo olemassa olevasta toksiinista (toksiini F:n alatyyppi, johon oli yhdistetty pala toksiini A:ta).

Viime viikolla Nature Communications -lehdessä Dong ja kollegat raportoivat ensimmäisestä uudesta botuliinitoksiinista, joka on löydetty lähes 50 vuoteen. Sitä kutsutaan alustavasti toksiini X:ksi, ja sillä on joitakin epätavallisia ominaisuuksia, jotka erottavat sen muista.

”Sekvenssiltään se ei näytä miltään muulta toksiinilta, eivätkä vasta-aineet tunnista sitä mistään muusta tunnetusta botuliinitoksiinista”, Dong sanoo.

Kylmän tapauksen avaaminen

Toksiini X:ää tuottavia bakteereja oli eristetty 1990-luvulla Japanissa. Kanta, joka oli aiheuttanut imeväisten botulismitapauksia, luokiteltiin asianmukaisesti, ja sen myrkyllisyyden katsottiin johtuvan toksiinista B. Bakteeri sekvensoitiin, ja toksiini B:tä koodaava sekvenssi löytyi.

Se näytti olevan tarinan loppu. ”Se jätettiin syrjään”, Dong sanoo.

Mutta vuonna 2015 toinen japanilainen ryhmä sekvensoi bakteerin genomin ja laittoi sekvenssin julkiseen tietokantaan.

”Se, mitä heiltä jäi huomaamatta tässä genomisekvenssissä, oli pala, joka sisälsi tämän uuden toksiinigeenin”, Dong sanoo.

Pål Stenmark Tukholman yliopistosta Ruotsissa huomasi tämän ensimmäisenä bioinformatiikan analyysissä. Uudella geenillä oli kaikki toiminnallista toksiinia koodaavan geenin ominaisuudet.

”Olemme tehneet Pålin kanssa yhteistyötä botulinumtoksiinien rakenne-toiminta-analyysissä jo pitkään”, Dong sanoo. ”Hän tuli luokseni tämän tiedon kanssa, ja päätimme yhdistää voimamme ja luokitella toksiinin funktionaalisesti.”

Työtä johtaneen tohtorikoulutettavan Sicai Zhangin johdolla tutkijat validoivat toksiinin aktiivisuuden kokoamalla sen keinotekoisesti laboratoriossa. ”Päätimme välttää täyspitkän aktiivisen toksiinigeenin tuottamista, sillä toksiinigeenin tuominen organismiin tai solujärjestelmään on aina merkittävä bioturvallisuusongelma”, Dong sanoo. ”Sen sijaan kehitimme lähestymistavan, jolla tuotimme rajoitetun määrän toksiinia koeputkissa yhdistämällä kaksi myrkytöntä fragmenttia.”

Tämä lähestymistapa tarjosi kaikki tarvittavat elementit toksiini X:n toiminnan ymmärtämiseksi. Dongin laboratorion vanhempi tutkija, tohtori Jie Zhang pystyi osoittamaan, että se aiheuttaa hiirissä samanlaista halvaantumista kuin muutkin botuliinitoksiinit.

Terapeuttiset sovellukset?

Yllätys ei jäänyt tähän. Lisätutkimuksissa laboratorion jäsen, tohtori Sicai Zhang havaitsi, että botuliinitoksiini X pilkkoo samoja hermoproteiineja, joihin muutkin botuliinitoksiinit kohdistuvat. Mutta se pilkkoo myös ryhmän proteiineja, joita mikään muista toksiineista ei kosketa.

”X-tyypillä on tämä ainutlaatuinen kyky pilkkoa VAMP4:ää, VAMP5:tä ja Ykt6:ta”, Dong tarkentaa. ”Jotkin näistä proteiineista ovat huonosti karakterisoituja, joten X-tyypin toksiini on arvokas väline niiden toimintojen määrittelyssä.”

Lisäkohteet voisivat mahdollisesti antaa X-toksiinille erilaisia ominaisuuksia, kun sitä käytetään lääketieteellisesti. Botuliinitoksiineja A ja B käytetään tällä hetkellä muun muassa spastisuuteen, krooniseen kipuun, yliaktiiviseen rakkoon ja ryppyjen poistoon. Ne toimivat leikkaamalla hermopäätteissä olevia proteiineja, jotka vaikuttavat välittäjäaineiden erittymiseen ja siten hermosolujen viestintään. Lisäproteiinien leikkaamisen vaikutuksia ei ole vielä tutkittu.

”Voiko tämä uusi toksiini lisätä terapeuttista lisähyötyä”? Tämä on jännittävä kysymys, johon meillä ei ole vastausta juuri nyt”, Dong sanoo. ”Emme myöskään vielä tiedä tämän toksiinin tehoa. Sekin on tutkittava CDC:n hyväksymässä laboratoriossa.”

Dongin mielestä löytämisprosessi on yhtä kiehtova kuin tulokset.

”Perinteisesti bakteerien virulenssitekijät löydetään tarkastelemalla infektion seurauksia ja etsimällä proteiineja ja geenejä”, hän sanoo. ”Tässä tapauksessa toksiini löydettiin bakteerien koko genomin sekvensoinnilla. Tämä osoittaa genetiikan ja bioinformatiikan lähestymistapojen merkityksen mikrobimaailman ymmärtämisessä.”