Botulinumtoxin X upptäckt med nya egenskaper – Vector blog

Botulism är en sällsynt, potentiellt dödlig förlamande sjukdom. Det är anledningen till att vi inte bör ge spädbarn honung och varför vi måste vara försiktiga när vi konsumerar hemkonserverade livsmedel: de kan potentiellt innehålla nervskadande gifter som produceras av Clostridium botulinum. Botulinumtoxin klassificeras som ett av de sex farligaste potentiella bioterroristämnena.

Det finns sju kända typer av botulinumtoxin. Toxin A och B identifierades för första gången 1919 och renades för första gången 1946 respektive 1947. (Båda används också medicinskt.) Toxinerna C, D, E och F följde så småningom. Den sista, toxin G, identifierades 1969 i jordbakterier i Argentina.

Och så har det varit fram till nu. Men för att verkligen kunna försvara oss mot botulism måste vi känna till alla toxiner som tillverkas av de olika C. botulinum-stammarna, eftersom var och en av dem kräver en separat antikropp för att neutralisera den.

”Under lång tid har inga nya toxiner hittats”, säger Min Dong, PhD, biträdande professor vid institutionen för urologi vid Boston Children’s Hospital och vid institutionen för mikrobiologi och immunbiologi vid Harvard Medical School. ”Vi har hittat nya subtyper, men inte ett helt nytt toxin. Frågan har varit när vi skulle hitta ett sådant och var vi ska leta efter det.”

2013 hade en grupp i Kalifornien vad som verkade vara ett nytt toxin, typ H, men det visade sig vara ett falskt alarm: när proteinet så småningom sekvenserades visade det sig vara en kombination av två existerande toxiner (en subtyp av toxin F med en bit av toxin A).

Förra veckan rapporterade Dong och medarbetare i Nature Communications om det första nya botulinumtoxinet som hittats på nästan 50 år. Det kallas preliminärt toxin X och har några ovanliga egenskaper som skiljer det från de andra.

”Sekvensmässigt ser det inte ut som något annat toxin, och det kan inte kännas igen av antikroppar mot något annat känt botulinumtoxin”, säger Dong.

Reopening a cold case

Bakterierna som producerar toxin X hade isolerats på 1990-talet i Japan. Stammen, som hade orsakat fall av botulism hos spädbarn, kategoriserades vederbörligen och dess giftighet tillskrevs toxin B. Bakterien sekvenserades och sekvensen som kodade för toxin B hittades.

Det verkade vara slutet på historien. ”Den lades åt sidan”, säger Dong.

Men 2015 sekvenserade en annan japansk grupp bakteriens genom och lade sekvensen i en offentlig databas.

”Vad de saknade i den genomiska sekvensen var en bit som innehöll den här nya toxingenen”, säger Dong.

Pål Stenmark vid Stockholms universitet i Sverige upptäckte detta först i en bioinformatisk analys. Den nya genen hade alla kännetecken för att koda för ett funktionellt toxin.

”Vi har samarbetat med Pål om struktur-funktion hos botulinumtoxiner under lång tid”, säger Dong. ”Han kom till mig med den här informationen och vi bestämde oss för att gå samman och kategorisera toxinet funktionellt.”

Med postdoktorand Sicai Zhang, PhD, som ledde arbetet validerade forskarna toxinets aktivitet genom att sätta ihop det artificiellt i labbet. ”Vi bestämde oss för att undvika att generera den aktiva toxingenen i full längd, eftersom införandet av en toxingen i en organism eller ett cellulärt system alltid är ett stort biosäkerhetsproblem”, säger Dong. ”Istället utvecklade vi en metod för att generera en begränsad mängd toxin i provrör genom att sammanfoga två icke-toxiska fragment.”

Denna metod gav alla element som behövdes för att förstå hur toxin X fungerar. Jie Zhang, PhD, en senior forskare i Dongs labb, kunde visa att det orsakar förlamning hos möss på samma sätt som andra botulinumtoxiner.

Therapeutiska tillämpningar?

Överraskningen stannade inte här. I ytterligare studier fann laboratoriemedlemmen Sicai Zhang, PhD, att botulinumtoxin X klyver samma uppsättning nervproteiner som andra botulinumtoxiner riktar in sig på. Men det klyver också en grupp proteiner som inget av de andra toxinerna berör.

”Typ X har denna unika förmåga att klyva VAMP4, VAMP5 och Ykt6”, förklarar Dong. ”Några av dessa proteiner är dåligt karakteriserade, så typ X-toxin kommer att vara ett värdefullt verktyg för att definiera deras funktioner.”

De ytterligare måltavlorna kan potentiellt ge toxin X olika egenskaper när det används medicinskt. Botulinumtoxiner A och B används för närvarande för spasticitet, kronisk smärta överaktiv blåsa och avlägsnande av rynkor, för att nämna några tillämpningar. De fungerar genom att klippa proteiner i nervändar som påverkar utsöndringen av neurotransmittorer, vilket i sin tur påverkar neuronernas kommunikation. Effekterna av att skära av ytterligare proteiner har ännu inte undersökts.

”Kan detta nya toxin ge ytterligare terapeutiska fördelar? Det är en spännande fråga som vi inte har svaret på just nu”, säger Dong. ”Vi vet fortfarande inte heller hur starkt detta toxin är. Det måste också undersökas av ett CDC-godkänt laboratorium.”

För Dong är upptäcktsprocessen lika fascinerande som resultaten.

”Traditionellt upptäcker man bakteriella virulensfaktorer genom att titta på konsekvenserna av en infektion och hitta proteinerna och generna”, säger han. ”I det här fallet upptäcktes toxinet genom sekvensering av hela arvsmassan hos bakterierna. Detta illustrerar vikten av genetiska och bioinformatiska metoder för att förstå den mikrobiella världen.”