Hogyan jut be a Botox a sejtjeinkbe

Volodymyr Korkhov (linkek) és Richard Kammerer a PSI Élet Tudományok Központjából fontos lépést tett annak megértésében, hogyan hatol be a botulinum neurotoxin, röviden Botox, az idegsejtjeinkbe. © Paul Scherrer Intézet PSI/Mahir Dzambegovic / Volodymyr M. Korkhov (balra) és Richard Kammerer a PSI Élet Tudományok Központjából fontos előrelépéseket tett annak megértésében, hogyan jut be a botulinum neurotoxin, röviden Botox, az idegsejtjeinkbe. © Paul Scherrer Intézet PSI/Mahir Dzambegovic

A Paul Scherrer Intézet Life Sciences központjának kutatói elsőként tisztázták a botulinum neurotoxin, röviden Botox, szerkezetváltozásait, amelyekről feltételezik, hogy döntő szerepet játszanak a sejten belüli behatolás során. Ezáltal a jövőben célzottabban és átfogóbb terápiás alkalmazásokat tehetnek lehetővé, például a fájdalomcsillapítás területén. A tanulmány a Nature Communications szaklapban jelent meg.

A Botulinum Neurotoxin A1, közismertebb nevén Botox, nemcsak népszerű kozmetikai segédeszköz, hanem egy rendkívül hatékony baktérium által termelt idegméreg is, amely – gondosan adagolva – gyógyszerként is alkalmazható. Blokkolja az idegek és az izmok közötti jelátvitelt: ez az izmok ellazulását eredményezi a bőr alatt, amit a kozmetikai kezelésekben az arcvonások simítására használnak. Emellett olyan betegségeket is enyhíthet, amelyek görcsös izmokra vagy idegi hibás jelekre vezethetők vissza, például spasztikára, hólyagszélességre vagy a szemállások rendellenességeire. Azonban túl magas dózisban halálos lehet, ha a légzőizmokat bénítja meg. Ez leggyakrabban baktérium által okozott ételmérgezés következtében alakul ki, és botulizmusnak nevezik.

Azért, hogy a botulinum neurotoxint a lehető leghatékonyabban tudják gyógyszerként alkalmazni, a hatás pontos kontrollját elérjék, és bővítsék a felhasználási lehetőségeket, a kutatók jobban szeretnék megérteni, hogyan hatol be a toxin a sejten belül, hogy kifejtse hatását. Ehhez azonban eddig kevés információ állt rendelkezésre. „Ennek főként az az oka, hogy eddig nem rendelkezünk szerkezeti adatokkal arról, hogy néz ki a toxin teljes hosszában, amikor kötődik a sejten belüli receptorhoz” – mondja Richard Kammerer a PSI Life Sciences központjától. Eddig csak a toxin egyes doménjeinek szerkezetéről voltak tanulmányok – vagyis a komplex molekuláris felépítésének bizonyos részeiről – valamint ezeknek a doméneknek a szerkezetéről a receptorral vagy annak egyik doménjével együtt.

Megfigyelések mínusz 160 Celsiuson

Ennek megváltoztatására Kammerer és csapata összefogott Volodymyr Korkhov kutatócsoportjával. Ez a csoport ugyanabban a PSI laborban dolgozik, és a fehérjék, különösen a membránfehérjék szerkezetének feltárására specializálódott. Közös tanulmányuk során a kutatók egy ún. kriogén elektronmikroszkóppal vizsgálták a neurotoxint önmagában és a receptorral együtt. A kriogén elektronmikroszkópia során a mintákat mínusz 160 Celsiuson gyorsfagyasztják, anélkül, hogy jégkristályok képződnének. „Így a minta tartósan megőrzi szerkezetét, és nyugodtan vizsgálhatjuk” – magyarázza Basavraj Khanppnavar, a tanulmány első szerzője. „Ezáltal különösen pontos betekintést nyerhetünk a molekuláris architektúrába” – egészíti ki kolléganője és szintén első szerzője, Oneda Leka.

A kutatók így meghatározták mind a toxin teljes szerkezetét önmagában, mind a molekulakomplex szerkezetét a receptorral együtt. Ezt alacsony és semleges pH-értékeknél tették, amelyek a szinaptikus vezikulában jellemzőek. A toxin receptorhoz való kötődése után ez a gömb alakú sejtszervecske magába szívja a toxint, és szállítja azt a sejten belülre.

A kompakt forma jobban kölcsönhatásba lép

Amint kiderült, a „érésben” lévő vezikula pH-értékének csökkenése döntő a toxin szállításában a vezikula membránján keresztül a citoplazmába – ez a sejt azon része, ahol a legtöbb biokémiai reakció zajlik, és ahol a toxin kifejti hatását. „Alacsony pH-érték esetén, körülbelül 5,5, a toxin elferdül a szokásos hosszú, nyitott formájából egy gömb alakú, kompakt formává” – mondja Volodymyr Korkhov. Ezáltal a fehérje kulcsfontosságú doménjei közelebb kerülnek a vezikula membránjához. „Semleges pH-értéknél, körülbelül 7-nél, viszont hosszú formában vannak, így túl messze vannak a membrántól az interakcióhoz.” Ezért nem tud megtörténni a toxin transzlokációja a vezikula belsejéből a sejt citoplazmájába.

A hasonló témában dolgozó kutatócsoportok között a PSI-csapat az első, amely szerkezeti adatokat szolgáltat a toxin teljes hosszáról és a receptorral való komplexről a transzlokáció előtt. „Most már sokkal reálisabb képet alkothatunk a transzlokáció kulcsmechanizmusairól” – mondja Kammerer. Még további tanulmányokra van szükség, hogy ezeket teljes egészében megfejtsük. „De a most közzétett tanulmánnyal már egy fontos lépést tettünk, amely segíthet a botulinum neurotoxin hatékonyabb alkalmazásában, például a fájdalom kezelésében.”