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Wirkmechanismus des bakteriellen Tc-Toxins entschlüsselt Die tödliche Effizienz bakterieller Toxine

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie

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Manche Bakterien produzieren tödliche Zellgifte. Die Wirkweise dieser Toxine haben nun Forscher u. a. mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskope genauer untersucht. Dabei klären sie den ausgeklügelten Wirkmechanismus auf und zeigen zudem, warum die Toxine so hocheffizient sind.

Botox ist ein hochwirksames Toxin, welches von Bakterien produziert wird. Wie solche bakteriellen Toxine im Detail wirken, hat nun eine neue Studie aufgedeckt (Symbolbild).
Botox ist ein hochwirksames Toxin, welches von Bakterien produziert wird. Wie solche bakteriellen Toxine im Detail wirken, hat nun eine neue Studie aufgedeckt (Symbolbild).
(Bild: Tetiana - stock.adobe.com )

Berlin, Dortmund – Was sich manche Menschen ins Gesicht spritzen lassen, um weniger Fältchen zu haben, ist in höherer Konzentration ein tödliches Gift. Schon ein Mikrogramm des bakteriellen Botulinumtoxins – allgemein bekannt als Botox – genügt, um einen lebenden Organismus zu töten. Es entfaltet seine tödliche Wirkung, indem es die Freisetzung von Neurotransmittern an der Verbindungsstelle von Nervenzellen und Muskeln verhindert und diese dadurch lähmt. So simpel die Wirkweise des Toxins auch erscheinen mag, handelt es sich hierbei jedoch um einen ausgeklügelten, mehrstufigen Prozess. Nicht weniger komplex und ebenfalls sehr wirkungsvoll ist der Vergiftungsprozess von Toxinkomplexen (Tc), den Virulenzfaktoren vieler insekten- und humanpathogener Bakterien.

Um den Infektionsmechanismus insbesondere der Tc-Toxine im Detail zu entschlüsseln, haben zwei Forschergruppen aus Dortmund und Berlin ihre Expertise für Kryo-EM- und Protein-NMR gebündelt. Ihre Ergebnisse zeigen nun nicht nur, wie die tödliche Ladung des Tc-Toxins das Zytoskelett der Zelle kollabieren lässt, sondern liefern auch eine Erklärung für die hohe Effizienz des Toxins.

Eine bakterielle Spritze injiziert ein tödliches Enzym

Der Wirkmechanismus der Tc-Toxine ist erst in jüngster Zeit durch die strukturbiologischen Arbeiten der Arbeitsgruppe um Stefan Raunser am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund näher aufgeklärt worden. „Mittels Kryo-Elektronenmikroskopie konnten wir die Struktur der Tc-Toxin-Untereinheiten aufklären und zeigen, wie sich diese zusammensetzen. So konnten wir erstmals die Schlüsselschritte der Toxin-Aktivierung und der Membranpenetration verstehen“, sagt Raunser.

Die Forscher haben gezeigt, dass die Untereinheiten des Tc-Toxin-Komplexes zusammen wie eine Spritze funktionieren: Sobald sich die Untereinheiten zusammensetzen, lösen strukturelle Veränderungen im Komplex die Öffnung eines Kokons aus, der ein giftiges Enzym enthält. In einem einzigartigen Injektionsmechanismus wird das Enzym über einen Kanal in die Wirtszelle geschleust. Dort entfaltet es seine tödliche Wirkung, indem es die Regulierung des Zytoskeletts der Zelle stört, ein Netzwerk von polymerisierten Aktinfilamenten (F-Aktin) mit vielen wichtigen zellulären Aufgaben.

Komplizierte Struktur mit modernen Methoden geknackt

Die genaue Wirkweise der bakteriellen Spritzen zu verstehen, ist eine anspruchsvolle Aufgabe. „Lange Zeit ist uns ein vollständiges Bild des Vergiftungsprozesses verwehrt geblieben, da uns die Strukturdaten der injizierten Enzyme, zu denen auch TccC3 gehört, fehlten“, sagt Raunser. Über TccC3 sei bis vor kurzem nur bekannt gewesen, dass es eine ADP-Ribose-Gruppe auf Aktin überträgt und so dessen abnormale Polymerisation fördert, was wiederum die Aktinfilamente verklumpen lässt. „TccC3 ist aufgrund seiner Größe und hohen Flexibilität das, was wir ein ‚kompliziertes‘ System für Strukturuntersuchungen nennen“, sagt Hartmut Oschkinat. vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie in Berlin. „Nur durch den Einsatz von Protein-NMR in Lösung konnten wir diese Herausforderung meistern und erstmals die 3D-Struktur des Proteins sichtbar machen“.

„Das Toxin agiert wie ein Boxer“

Durch die Zusammenführung zweier weiterer Kryo-EM-Aufnahmen von F-Aktin gebunden an TccC3 und vom modifizierten F-Aktin allein haben die Forscher den einzigartigen Wirkmechanismus des Enzyms aufgedeckt. „TccC3 agiert wie ein Boxer, der sich seinem Gegner gegenüber so positioniert, dass dieser angreifbar wird“, vergleicht MPI-Forscher Raunser.

TccC3-vermittelter Tc Toxin Mechanismus: 
Nachdem das Toxin an Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle gebunden hat, wird es mittels Endozytose in die Zelle aufgenommen (oben). Strukturelle Veränderungen im Komplex öffnen einen Kokon, der ein toxisches Enzym enthält (grün), das über einen Kanal in das Zytoplasma der Wirtszelle injiziert wird. Es faltet sich und bindet an F-Aktin. Durch das Öffnen eines „Tores“ wird der Eintritt von NAD+ erleichtert. Die folgende Reaktion führt zur Übertragung der ADP-Ribose-Gruppe (ADPR) auf Aktin. Dies beeinträchtigt die Bindung von Aktin-depolymerisierenden Faktoren an F-Aktin, was zur Verklumpung von Aktin und schließlich zum Zelltod führt.
TccC3-vermittelter Tc Toxin Mechanismus: 
Nachdem das Toxin an Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle gebunden hat, wird es mittels Endozytose in die Zelle aufgenommen (oben). Strukturelle Veränderungen im Komplex öffnen einen Kokon, der ein toxisches Enzym enthält (grün), das über einen Kanal in das Zytoplasma der Wirtszelle injiziert wird. Es faltet sich und bindet an F-Aktin. Durch das Öffnen eines „Tores“ wird der Eintritt von NAD+ erleichtert. Die folgende Reaktion führt zur Übertragung der ADP-Ribose-Gruppe (ADPR) auf Aktin. Dies beeinträchtigt die Bindung von Aktin-depolymerisierenden Faktoren an F-Aktin, was zur Verklumpung von Aktin und schließlich zum Zelltod führt.
(Bild: MPI für molekulare Physiologie )

Im ersten Schritt bindet das Enzym an eine Region zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aktin-Untereinheiten des F-Aktins. TccC3 öffnet dann ein Tor, sodass die im Molekül NAD+ enthaltene ADP-Ribose-Gruppe in Schlagdistanz zu einer reaktiven Stelle im Aktin gebracht werden kann. Sobald die sperrige ADP-Ribose-Gruppe auf das F-Aktin übertragen wurde, ist es für depolymerisierende Faktoren nicht mehr zugänglich, wodurch F-Aktin nicht mehr abgebaut werden kann und verklumpt.

Gift raus, Tor zu

Neben dieser Entdeckung haben die Wissenschaftler mit ihren Erkenntnissen auch eine Erklärung für die auffallend hohe Effizienz des Enzyms gefunden. Wenn sich das Enzym vom F-Aktin ablöst, verhindert sein Tor-Mechanismus eine Rückbindung an das bereits veränderte Aktin und so wird das Enzym für den nächsten Angriff vorbereitet. „Es ist erstaunlich, wie sich all diese Mechanismen entwickelt haben, um die Wirksamkeit des Giftes maximal zu steigern“, sagt Raunser. „Die Natur hat ganze Arbeit geleistet, denn Botulinumtoxine, Ricin und andere Biotoxine gelten immer noch als die giftigsten Substanzen, die man kennt.“

Originalpublikation: Belyy A, Lindemann F, Roderer D, Funk J, Bardiaux B, Protze J, Bieling P, Oschkinat H, Raunser S: Mechanism of threonine ADP-ribosylation of F-actin by a Tc toxin, 13, Article number: 4202 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-31836-w

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