Objev botulotoxinu X s novými vlastnostmi – Vector blog

Botulismus je vzácné, potenciálně smrtelné paralyzující onemocnění. Je to důvod, proč bychom neměli krmit kojence medem a proč musíme být opatrní při konzumaci doma konzervovaných potravin: mohou potenciálně obsahovat nervově poškozující toxiny produkované bakterií Clostridium botulinum. Botulotoxin je klasifikován jako jeden ze šesti nejnebezpečnějších potenciálních původců bioterorismu.

Existuje sedm známých typů botulotoxinu. Toxiny A a B byly poprvé identifikovány v roce 1919 a poprvé purifikovány v roce 1946, resp. 1947. (Oba se používají také v lékařství.) Toxiny C, D, E a F nakonec následovaly. Poslední, toxin G, byl identifikován v roce 1969 v půdních bakteriích v Argentině.

A tak to zůstalo až do současnosti. Abychom se však mohli proti botulismu skutečně bránit, potřebujeme znát všechny toxiny vytvářené různými kmeny C. botulinum, protože každý z nich vyžaduje k neutralizaci samostatnou protilátku.

„Dlouhou dobu nebyly nalezeny žádné nové toxiny,“ říká doktor Min Dong, odborný asistent na urologickém oddělení Bostonské dětské nemocnice a na oddělení mikrobiologie a imunobiologie Harvardovy lékařské fakulty. „Našli jsme nové podtypy, ale ne zcela nový toxin. Otázkou bylo, kdy nějaký najdeme a kde ho hledat.“

V roce 2013 měla skupina v Kalifornii něco, co vypadalo jako nový toxin typu H, ale ukázalo se, že šlo o planý poplach: když byl protein nakonec sekvenován, zjistilo se, že jde o kombinaci dvou existujících toxinů (podtyp toxinu F s kouskem toxinu A).

Poslední týden v časopise Nature Communications Dong a jeho kolegové informovali o prvním novém botulotoxinu, který byl nalezen po téměř 50 letech. Provizorně se nazývá toxin X a má některé neobvyklé vlastnosti, které ho odlišují od ostatních.

„Sekvenčně nevypadá jako žádný jiný toxin a nelze ho rozpoznat protilátkami proti žádnému jinému známému botulotoxinu,“ říká Dong.

Otevření odloženého případu

Bakterie, které produkují toxin X, byly izolovány v 90. letech v Japonsku. Kmen, který způsobil případy kojeneckého botulismu, byl řádně kategorizován a jeho toxicita byla přisouzena toxinu B. Bakterie byla sekvenována a byla nalezena sekvence kódující toxin B.

To se zdálo být konec příběhu. „Bylo to odloženo stranou,“ říká Dong.

Ale v roce 2015 jiná japonská skupina sekvenovala genom bakterie a vložila sekvenci do veřejné databáze.

„V této genomové sekvenci jim chyběla část, která obsahuje tento nový toxinový gen,“ říká Dong.

Pål Stenmark ze Stockholmské univerzity ve Švédsku si toho poprvé všiml při bioinformatické analýze. Nový gen nesl všechny znaky kódující funkční toxin.

„S Pålem spolupracujeme na výzkumu struktury a funkce botulotoxinů již dlouhou dobu,“ říká Dong. „Přišel za mnou s touto informací a rozhodli jsme se spojit síly a toxin funkčně kategorizovat.“

Vědci s postdoktorandem Sicai Zhangem, PhD, který práci vedl, ověřili aktivitu toxinu jeho umělým sestavením v laboratoři. „Rozhodli jsme se vyhnout generování aktivního toxinového genu v plné délce, protože zavedení toxinového genu do organismu nebo buněčného systému vždy představuje značný problém z hlediska biologické bezpečnosti,“ říká Dong. „Místo toho jsme vyvinuli přístup k vytvoření omezeného množství toxinu ve zkumavkách spojením dvou netoxických fragmentů.“

Tento přístup poskytl všechny prvky potřebné k pochopení toho, jak toxin X funguje. Dr. Jie Zhang, vedoucí vědecký pracovník Dongovy laboratoře, dokázal prokázat, že způsobuje paralýzu myší podobně jako jiné botulinové toxiny.

Terapeutické využití?“

Překvapení zde neskončilo. V dalších studiích člen laboratoře doktor Sicai Zhang zjistil, že botulotoxin X štěpí stejnou sadu nervových proteinů, na které se zaměřují jiné botulotoxiny. Štěpí však také skupinu proteinů, kterých se žádný z ostatních toxinů nedotýká.

„Typ X má tuto jedinečnou schopnost štěpit VAMP4, VAMP5 a Ykt6,“ upřesňuje Dong. „Některé z těchto proteinů jsou špatně charakterizovány, takže toxin typu X bude cenným nástrojem pro definování jejich funkcí.“

Další cíle by mohly potenciálně propůjčit toxinu X odlišné vlastnosti při použití v medicíně. Botulotoxiny A a B se v současné době používají například k léčbě spasticity, chronické bolesti hyperaktivního močového měchýře a k odstraňování vrásek. Fungují na základě řezání proteinů v nervových zakončeních, které ovlivňují vylučování neurotransmiterů a následně ovlivňují komunikaci neuronů. Účinky řezání dalších proteinů je třeba ještě prozkoumat.

„Může tento nový toxin přidat další terapeutický přínos? To je vzrušující otázka, na kterou nyní nemáme odpověď,“ říká Dong. „Stále také neznáme účinnost tohoto toxinu. I to je třeba prozkoumat v laboratoři schválené CDC.“

Pro Donga je proces objevování stejně přesvědčivý jako výsledky.

„Bakteriální faktory virulence se tradičně objevují tak, že se zkoumají následky infekce a hledají se proteiny a geny,“ říká. „V tomto případě byl toxin objeven pomocí sekvenování celého genomu bakterie. To ilustruje význam genetiky a bioinformatických přístupů pro pochopení mikrobiálního světa.“