Jak se Botox dostává do našich buněk

Volodymyr Korkhov (odkazy) a Richard Kammerer z Centra pro vědy o životě na PSI učinili důležitý krok směrem k pochopení toho, jak se botulinový neurotoxin, zkráceně Botox, dostává do našich nervových buněk. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic / Volodymyr M. Korkhov (vlevo) a Richard Kammerer z Centra pro vědy o životě na PSI učinili důležité pokroky směrem k pochopení toho, jak botulinový neurotoxin, zkráceně Botox, vstupuje do našich nervových buněk. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

Výzkumníci z Centra pro vědy o životě na Paul Scherrer Institut PSI poprvé objasnili strukturální změny botulotoxinové neurotoxinu, zkráceně Botox, o nichž se předpokládá, že jsou klíčové při jeho pronikání do nervové buňky. Díky tomu by mohla jeho ochrnutí schopná účinná látka v budoucnu být cíleněji a komplexněji využívána v terapii, například při léčbě bolesti. Studie byla publikována v odborném časopise Nature Communications.

Botulotoxin A1, lépe známý pod značkou Botox, není jen oblíbeným kosmetickým pomocníkem, ale také vysoce účinným bakteriálním nervovým jedem, který je – pečlivě dávkován – používán jako lék. Blokuje přenos signálů nervů na svaly: to může uvolnit svaly pod kůží, což se využívá v kosmetice k vyhlazení rysů obličeje. Může však také zmírnit potíže způsobené křečovitými svaly nebo nesprávnými signály nervů, jako jsou spasticity, inkontinence nebo nesprávné postavení očí. Při příliš vysoké dávce však může být Botox smrtelný, pokud způsobí ochromení dýchacích svalů. To se nejčastěji stává v důsledku bakteriální otravy masa a nazývá se „botulismus“.

Pro co nejefektivnější použití botulotoxinového neurotoxin jako léku, přesné kontrolování jeho účinku a rozšíření možností jeho použití chtějí vědci lépe pochopit, jak toxin proniká do nervové buňky, aby mohl svůj účinek rozvinout. O tom však bylo doposud málo známo. „Hlavně proto, že zatím nemáme žádná strukturální data o tom, jak toxin vypadá v plné délce, když je vázán na receptor nervové buňky,“ říká Richard Kammerer z PSI Centra pro vědy o životě. Dosud existovaly pouze studie o struktuře jednotlivých domén toxinu – tedy určitých částí jeho složitého molekulárního uspořádání – a o struktuře těchto domén ve spojení s receptorem nebo jednou z jeho domén.

Pozorování při minus 160 stupních

Pro změnu této situace se Kammerer a jeho tým spojili s výzkumnou skupinou Volodymyra Korkhova. Ta pracuje ve stejném laboratoři PSI a specializuje se na strukturování proteinů, zejména membránových proteinů. Ve společné studii vědci pomocí tzv. kryo-elektronové mikroskopie zkoumali vzorky neurotoxinu samotného i ve spojení s receptorem. Při kryo-elektronové mikroskopii jsou vzorky zmrazeny na minus 160 stupňů bez tvorby ledových krystalů. „Tak si vzorek zachová svou strukturu trvale a můžeme ji klidně zkoumat,“ vysvětluje Basavraj Khanppnavar, hlavní autor studie. „Tím získáváme zvlášť přesné pohledy na molekulární architekturu,“ doplňuje jeho kolegyně a také hlavní autorka Oneda Leka.

Vědci tímto způsobem určili jak strukturu celého toxinu samostatně, tak strukturu molekulárního komplexu ve spojení s receptorem. Dělali to při nízkých a neutrálních pH hodnotách, jaké panují v tzv. synaptickém váčku. Po navázání toxinu na receptor tento bublinkový organel buňky přijme toxin do sebe a přenese ho do vnitřku buňky.

Kompaktní tvar se lépe interaguje

Jak se ukázalo, klesající pH „zralého“ váčku je rozhodující pro transport toxinu z váčku přes jeho membránu do cytosolu – což je část buňky, kde probíhá většina biochemických reakcí a kde také toxin působí. „Při nízkém pH kolem 5,5 se toxin ohýbá z jeho obvykle dlouhého, otevřeného tvaru do kulovité, kompaktní podoby,“ říká Volodymyr Korkhov. Tím se důležité domény proteinu dostávají do blízkosti membrány váčku. „Při neutrálním pH kolem 7 jsou však v dlouhém tvaru, což je od membrány příliš vzdálené pro interakci.“ Translokace toxinu z vnitřku váčku do cytosolu buňky tak nemůže proběhnout.

Mezi výzkumnými skupinami, které pracují na stejné téma, je tým PSI prvním na světě, který poskytuje strukturální data o toxinu v jeho plné délce a v komplexu s receptorem před translokací. „Tím máme nyní mnohem reálnější představu o klíčových mechanismech translokace,“ říká Kammerer. Abychom je však mohli úplně rozluštit, jsou ještě potřeba další studie. „Ale s touto publikovanou studií jsme již udělali důležitý krok, který by mohl pomoci, aby byl botulotoxinový neurotoxin brzy ještě účinněji využíván například při léčbě bolesti.“