12.03.2012

«Разоружить» ботулинический нейротоксин

Исследователям из Медицинского научно-исследовательского института Сэнфорд-Бернем (США) и их немецким коллегам из Медицинской школы Ганновера удалось установить, как ботулинический нейротоксин – потенциальное биологическое оружие в арсенале террористов – выживает в агрессивной среде желудка.

Профессор-ассистент Медицинского научно-исследовательского института Сэнфорд-Бернем, д-р наук Роншень Цзинь (Rongsheng Jin) (Фото: sanfordburnham.org)

В исследовании, опубликованном в журнале Science, впервые определена 3D-структура нейротоксина вместе с его «телохранителем» : белком, одновременно синтезируемым самой бактерией Clostridium botulinum. «Телохранитель» охраняет токсин в кишечнике, а после того, как токсин попадает в кровь, отпускает его в «свободное плавание». Ученым удалось выявить и слабое место нейротоксина - звено в этом процессе, которое может стать мишенью для новых лекарственных препаратов.
Ботулинический нейротоксин – «двуликий Янус». С одной стороны, это самое ядовитое из известных человеку вещество, вызывающее ботулизм. Случайное отравление нейротоксином ботулизма, как правило, связано с употреблением зараженных Clostridium botulinum продуктов, но он может оказаться и биологическим оружием в руках террористов. С другой стороны, ботулинический нейротоксин используется как эффективная терапия и популярное косметическое средство Ботокс.

Атомная структура комплекса ботулинический нейротоксин/NTNHA, полученная с помощью рентгеновской кристаллографии. (Фото: Sanford-Burnham Medical Research Institute)

Во всех случаях его действие основано на одном и том же механизме: парализации мускулатуры путем нарушения ее связи с нервами. Прежде чем нейротоксин сможет получить доступ к мышцам и управляющим ими нейронам, он должен совершить удивительное и опасное путешествие по организму – победить пищеварительные ферменты и крайне кислую среду в желудке, достичь тонкого кишечника и попасть оттуда в кровоток.
Последнее исследование ботулинического нейротоксина – результат тесного сотрудничества между группой профессора-ассистента Научно-исследовательского центра неврологии, старения и стволовых клеток при Научно-исследовательском институте Сэнфорд-Бернем Роншеня Цзиня (Rongsheng Jin) и группой эксперта по нейротоксинам клостридий, д-ра наук Андреаса Руммеля (Andreas Rummel) из Института токсикологии при Медицинской школе Ганновера. Для изучения генетически инактивированного нетоксичного варианта ботулинического нейротоксина ученые использовали рентгеновскую кристаллографию – технологию, в которой для получения 3D изображений белков на атомном уровне используются мощные рентгеновские лучи.
Проведенные учеными эксперименты помогли визуализировать атомную структуру всех трех частей токсина: области, распознающей нейроны; фермента-«ножниц», разрезающего белки человеческих нейронов и вызывающего паралич; «игл», пробивающих поры, помогающие доставлять этот фермент к нервному окончанию. Более того, ученым удалось зафиксировать взаимодействие токсина со вторым бактериальным белком, так называемым нетоксичным негемагглютинином (ontoxic nonhemagglutinin, NTNHA).
В процессе перемещения токсина по организму NTNHA выступает в качестве его телохранителя, предотвращая разложение токсина в суровых условиях кислой среды желудка. Однако, как показало исследование, у токсина все же есть слабое место: когда комплекс токсин/NTNHA пробивает себе путь для выхода из тонкого кишечника, изменение в кислотности среды вызывает конформационное изменение «дуэта», после чего он распадается и в кровь попадает уже ничем не защищенный токсин.
Исследователи считают, что полученная информация о том, как нейротоксин и NTNHA гармонично сочетают сильную связь и ее своевременной разрыв, может быть использована, чтобы перехитрить их.
«Теперь, когда мы лучше понимаем структуру этого бактериального механизма, созданного для высокоэффективной защиты и доставки токсина, более отчетливо видно, как его можно разрушить», - комментирует достигнутые результаты доктор Цзинь.
Ученые надеются, что теперь смогут обмануть нейротоксин и его телохранителя, используя малую молекулу, посылающую ложный сигнал, имитирующий изменение рН. Такой сигнал способен преждевременно разрушить защитные «объятия» двух белков и дать возможность пищеварительным ферментам желудка и кислоте делать свое дело. Отдельно или в комбинации с другими разрабатываемыми сейчас препаратами, такая терапия могла бы применяться превентивно при угрозе массового заражения ботулиническим нейротоксином.
Более того, вполне возможно разработать пероральный, а не инъекционный препарат, что значительно облегчит лечение большого количества зараженных во время вспышки заболевания. Подобная стратегия может быть использована для доставки и других белковых препаратов, которые обычно используются как инъекционные. Белки можно связать с фрагментом ботулинического нейротоксина и защитить их с помощью NTNHA. Такие препараты можно было бы применять перорально.

^{http://lifesciencestoday.ru/index.php/vesti-iz-laboratoriy/614-disarming-the-botulinum-neurotoxin}