Botulinum toxine X ontdekt, met nieuwe eigenschappen – Vector blog

Botulisme is een zeldzame, potentieel dodelijke verlammende ziekte. Het is de reden waarom we zuigelingen geen honing moeten geven en waarom we voorzichtig moeten zijn met het consumeren van zelf ingeblikte voedingsmiddelen: deze kunnen mogelijk zenuwbeschadigende toxinen bevatten die worden geproduceerd door Clostridium botulinum. Botulinum toxine is geclassificeerd als een van de zes gevaarlijkste potentiële bioterrorisme-agentia.

Er zijn zeven bekende soorten botulinum toxine. Toxine A en B werden voor het eerst geïdentificeerd in 1919, en voor het eerst gezuiverd in 1946 en 1947, respectievelijk. (Beide worden ook medisch gebruikt.) Toxinen C, D, E en F volgden uiteindelijk. Het laatste, toxine G, werd in 1969 geïdentificeerd in bodembacteriën in Argentinië.

En daar is het tot nu toe gebleven. Maar om ons echt tegen botulisme te verdedigen, moeten we alle toxinen kennen die door de verschillende C. botulinum-stammen worden gemaakt, omdat elk een apart antilichaam nodig heeft om het te neutraliseren.

“Lange tijd zijn er geen nieuwe toxinen gevonden,” zegt Min Dong, PhD, een assistent-professor bij de afdeling Urologie van het Boston Children’s Hospital en de afdeling Microbiologie en Immunobiologie van de Harvard Medical School. “We hebben nieuwe subtypes gevonden, maar geen totaal nieuw toxine. De vraag is geweest wanneer we er een zouden vinden, en waar we ernaar moeten zoeken.”

In 2013 had een groep in Californië wat leek op een nieuw toxine, type H, maar het bleek vals alarm te zijn: toen het eiwit uiteindelijk werd gesequenced, bleek het een combinatie te zijn van twee bestaande toxines (een subtype van toxine F met een stukje van toxine A).

Laatst week in Nature Communications, melden Dong en collega’s het eerste nieuwe botulinum toxine dat in bijna 50 jaar is gevonden. Voorlopig toxine X genoemd, heeft het enkele ongewone eigenschappen die het onderscheiden van de anderen.

“Qua sequentie lijkt het niet op enig ander toxine, en het kan niet worden herkend door antilichamen tegen enig ander bekend botulinum toxine,” zegt Dong.

Heropening van een cold case

De bacteriën die toxine X produceren, waren in de jaren 1990 in Japan geïsoleerd. De stam, die gevallen van infantiel botulisme had veroorzaakt, werd naar behoren gecategoriseerd, en de toxiciteit werd toegeschreven aan toxine B. De bacterie werd gesequenced, en de sequentie die codeert voor toxine B werd gevonden.

Dat leek het einde van het verhaal te zijn. “Het werd terzijde gelegd,” zegt Dong.

Maar in 2015 heeft een andere Japanse groep het genoom van de bacterie gesequenced en de sequentie in een openbare database gezet.

“Wat ze misten binnen deze genoomsequentie was een stuk dat dit nieuwe toxinegen bevat,” zegt Dong.

Pål Stenmark van de Universiteit van Stockholm in Zweden merkte dit voor het eerst op in een bioinformatica-analyse. Het nieuwe gen droeg alle kenmerken van een functioneel toxine.

“We werken al lange tijd samen met Pål aan de structuur-functie van botulinum toxines,” zegt Dong. “Hij kwam naar me toe met deze informatie en we besloten onze krachten te bundelen en het toxine functioneel te categoriseren.”

Met postdoctoraal medewerker Sicai Zhang, PhD, die het werk leidde, valideerden de onderzoekers de activiteit van het toxine door het kunstmatig in het lab te assembleren. “We besloten om het genereren van het volledige actieve toxinegen te vermijden, omdat het introduceren van een toxinegen in een organisme of cellulair systeem altijd een aanzienlijk bioveiligheidsrisico met zich meebrengt,” zegt Dong. “In plaats daarvan ontwikkelden we een aanpak om een beperkte hoeveelheid toxine in reageerbuizen te genereren door twee niet-toxische fragmenten samen te voegen.”

Deze aanpak leverde alle elementen die nodig zijn om te begrijpen hoe toxine X werkt. Jie Zhang, PhD, een senior wetenschapper in Dong’s lab, was in staat om aan te tonen dat het verlamming veroorzaakt bij muizen, vergelijkbaar met andere botulinum toxines.

Therapeutische toepassingen?

De verrassing stopte hier niet. In verdere studies ontdekte Sicai Zhang, PhD, dat botulinum toxine X dezelfde reeks zenuw-eiwitten splitst als andere botulinum toxinen. Maar het splitst ook een groep eiwitten die geen van de andere toxinen aanraakt.

“Type X heeft dit unieke vermogen om VAMP4, VAMP5 en Ykt6 te splitsen,” werkt Dong verder uit. “Sommige van deze eiwitten zijn slecht gekarakteriseerd, dus type X toxine zal een waardevol hulpmiddel zijn om hun functies te bepalen.”

De extra doelwitten zouden toxine X mogelijk andere eigenschappen kunnen geven wanneer het medisch wordt gebruikt. Botulinum toxines A en B worden momenteel gebruikt voor spasticiteit, chronische pijn, overactieve blaas en het verwijderen van rimpels, om maar een paar toepassingen te noemen. Zij werken door eiwitten in zenuwuiteinden door te snijden die de afscheiding van neurotransmitters beïnvloeden, en op hun beurt de communicatie tussen neuronen beïnvloeden. De effecten van het doorsnijden van de extra eiwitten moeten nog worden onderzocht.

“Kan dit nieuwe toxine extra therapeutisch voordeel opleveren? Dat is een spannende vraag waar we nu nog geen antwoord op hebben,” zegt Dong. “We weten ook nog steeds niet wat de potentie van dit toxine is. Ook dat moet worden onderzocht, door een CDC-goedgekeurd lab.”

Voor Dong is het ontdekkingsproces net zo boeiend als de resultaten.

“Traditioneel ontdek je bacteriële virulentiefactoren door te kijken naar infectiegevolgen en de eiwitten en de genen te vinden,” zegt hij. “In dit geval werd het toxine ontdekt door sequencing van het hele genoom van de bacterie. Dit illustreert het belang van genetica en bio-informatica benaderingen voor het begrijpen van de microbiële wereld.”