Как ботулизм парализует нервные клетки: раскрыты новые детали

Новые структуры токсина ботулизма, взаимодействующего с имитацией нервно-клеточного белка, который он разрушает, указывают на новые способы блокировки этого часто смертельного взаимодействия. Молекулы-имитаторы имеют настолько высокое сродство к токсину и связываются с ним так прочно, что сами могут послужить основой для противоядных препаратов после дальнейшей модификации.

Атомные структуры с высоким разрешением были получены в Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США (DOE) в сотрудничестве с учёными из Института медицинских исследований инфекционных заболеваний армии США. Результаты опубликованы 21 июня 2009 года в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

Токсины ботулизма — одни из самых смертоносных известных ядов. Минимальные количества в неправильно консервированных продуктах могут вызвать смертельную форму пищевого отравления. Некоторые формы токсинов используются в медицинских целях для разглаживания морщин и подавления спазмов мочевого пузыря. Однако страх их использования в качестве биологического оружия делает разработку антитоксинов или вакцин приоритетной задачей.

Существует семь различных типов токсинов, но все они действуют одинаково: одна часть токсина связывается с мембраной нервной клетки; другая часть проводит меньший «каталитический домен» внутрь клетки; затем этот каталитический домен связывается с нервно-клеточным белком и расщепляет его, что делает невозможной передачу сигналов нервной клеткой. Результат — паралич и часто смерть.

Данное исследование было сосредоточено на том, как каталитический домен одного из типов нейротоксина, нейротоксина F, распознаёт и связывается с белком-мишенью в нервной клетке для выполнения этого финального, парализующего шага.

Команда сначала синтезировала две разные имитации белка-мишени нервной клетки. Затем они позволили каждой из них связаться с каталитическим доменом токсина и проанализировали структуры с помощью высокоинтенсивных рентгеновских лучей в Национальном источнике синхротронного излучения (NSLS) Брукхейвена. Анализ рассеяния рентгеновских лучей позволяет реконструировать трёхмерные изображения с чрезвычайно высоким разрешением, показывающие положение и ориентацию атомов в белках.

Полученные структуры показывают, что части токсина, удалённые от «активного сайта», который расщепляет нервно-клеточный белок, имеют решающее значение для способности токсина связываться и разрушать этот белок. Биохимический анализ подтвердил существование и важность этих «экзосайтов», что дополнительно подтвердило корректность кристаллических структур.

Поскольку эти экзосайты играют столь важную роль, они могут служить дополнительными мишенями для разработки препаратов, призванных нарушить смертоносное действие токсина.

Учёные также исследуют возможность того, что сами молекулы-ингибиторы, использованные в этом исследовании в качестве имитаторов нервно-клеточного белка, могут стать основой для антитоксинов. Эти ингибиторы являются привлекательными кандидатами для разработки препаратов против ботулизма. Для этого необходимо найти способ доставить ингибитор к токсину внутри нервных клеток, например, добавив к молекуле ингибитора трансмембранную последовательность или другой механизм внутриклеточного транспорта.

Изучение всех семи разновидностей токсина необходимо для понимания общих механизмов, которые могут помочь в разработке препаратов, действующих против нескольких разных типов или, в идеале, против всех семи. Группа Субраманьяма Сваминатана изучила шесть из семи разновидностей.

Само существование вакцины или антитоксинов помогло бы смягчить крайний страх перед биотеррористической атакой. Понимание детальных структур токсинов и их взаимодействия с белками-мишенями также может привести к прогрессу в безопасном медицинском применении этих токсинов.