Hoe Botox in onze cellen terechtkomt

Volodymyr Korkhov (links) en Richard Kammerer van het Centrum voor Levenswetenschappen bij PSI hebben een belangrijke stap gezet om te begrijpen hoe botulinetoxine, kort Botox, onze zenuwcellen binnendringt. © Paul Scherrer Instituut PSI/Mahir Dzambegovic / Volodymyr M. Korkhov (links) en Richard Kammerer van het Centrum voor Levenswetenschappen bij PSI hebben belangrijke vorderingen gemaakt in het begrijpen hoe botulinetoxine, kort Botox, onze zenuwcellen binnendringt. © Paul Scherrer Instituut PSI/Mahir Dzambegovic

Onderzoekers van het Centrum voor Life Sciences aan het Paul Scherrer Instituut PSI hebben voor het eerst de structurele veranderingen van Botulinum Neurotoxin, kortweg Botox, ontrafeld, waarvan wordt vermoed dat ze cruciaal zijn bij het binnendringen in de zenuwcel. Hierdoor zou de verlammende werking van dit krachtige zenuwgif in de toekomst gerichter en uitgebreider therapeutisch kunnen worden ingezet, bijvoorbeeld bij pijnbestrijding. De studie is gepubliceerd in het vakblad Nature Communications.

Botulinum Neurotoxin A1, beter bekend onder de merknaam Botox, is niet alleen een populair cosmetisch hulpmiddel, maar ook een uiterst krachtig bacterieel zenuwgif dat – zorgvuldig gedoseerd – als medicijn wordt gebruikt. Het blokkeert de signaaloverdracht van zenuwen naar spieren: dit kan spieren onder de huid ontspannen, wat in de cosmetiek wordt gebruikt om gelaatsuitdrukkingen glad te strijken. Het kan echter ook lijden verlichten dat wordt veroorzaakt door krampende spieren of foutieve signalen van zenuwen, zoals spasticiteit, blaaszwakte of afwijkingen van de ogen. Bij een te hoge dosis kan Botox echter dodelijk zijn, wanneer het leidt tot verlamming van de ademhalingsspieren. Dit gebeurt meestal als gevolg van een bacteriële vleesvergiftiging en wordt «botulisme» genoemd.

Om Botulinum Neurotoxin als medicijn zo effectief mogelijk te gebruiken, de werking nauwkeurig te controleren en de toepassingsmogelijkheden uit te breiden, willen onderzoekers beter begrijpen hoe het gif in een zenuwcel binnendringt om zijn werking te ontplooien. Daar was echter nog weinig over bekend. «Dat komt vooral doordat we tot nu toe geen structurele gegevens hebben over hoe het gif eruitziet in zijn volledige lengte wanneer het gebonden is aan de receptor van de zenuwcel», zegt Richard Kammerer van het PSI Centrum voor Life Sciences. Tot nu toe waren er alleen studies over de structuur van afzonderlijke domeinen van het gif – dus bepaalde delen van de complexe moleculaire opbouw – en over de structuur van dergelijke domeinen in combinatie met de receptor of een van zijn domeinen.

Waarnemingen bij -160 graden

Om dit te veranderen, hebben Kammerer en zijn team zich aangesloten bij de onderzoeksgroep van Volodymyr Korkhov. Deze werkt in hetzelfde PSI-laboratorium en is gespecialiseerd in de structuuronderzoek van eiwitten, vooral membraan-eiwitten. In het gezamenlijke onderzoek hebben de onderzoekers monsters van het neurotoxine, alleen en in combinatie met de receptor, onderzocht met een zogenaamd cryo-elektronenmicroscoop. Bij cryo-elektronenmicroscopie worden de monsters bij -160 graden bevroren, zonder dat er ijskristallen ontstaan. «Zo behoudt het monster permanent zijn structuur en kunnen we deze in rust bestuderen», legt Basavraj Khanppnavar uit, de eerste auteur van de studie. «Hierdoor krijgen we bijzonder nauwkeurige inzichten in de moleculaire architectuur», voegt zijn collega en eveneens eerste auteur Oneda Leka toe.

De onderzoekers bepaalden op deze manier zowel de structuur van het volledige gif voor zichzelf als die van het molecuulcomplex in combinatie met de receptor. Ze deden dit bij lage en neutrale pH-waarden, zoals die voorkomen in het zogenaamde synaptische blaasjes. Na het binden van het gif aan de receptor neemt dit blaasvormige celorganel het gif op en transporteert het naar binnen in de cel.

De compacte vorm kan beter interageren

Zoals bleek, is de daaropvolgende daling van de pH-waarde van het «rijpende» blaasje cruciaal voor het transport van het gif van het blaasje via de membraan naar het cytosol – dat is het deel van de cel waar de meeste biochemische reacties plaatsvinden en waar ook het gif zijn werking ontplooit. «Bij een lage pH-waarde rond 5,5 buigt het gif zich van zijn gebruikelijke lange, open vorm naar een bolvormige, compacte vorm», vertelt Volodymyr Korkhov. Hierdoor komen de belangrijke domeinen van het eiwit dichter bij de membraan van het blaasje. «Bij een neutrale pH-waarde van ongeveer 7 blijven ze in de lange vorm, te ver weg van de membraan voor een interactie.» De zogenaamde translokatie van het gif van het binnenste van het blaasje naar het cytosol van de cel kan dan niet plaatsvinden.

Onder de onderzoeksgroepen die aan hetzelfde onderwerp werken, is het PSI-team wereldwijd het eerste dat structurele gegevens van het volledige gif in zijn volledige lengte en in complex met de receptor vóór de translokatie levert. «Hiermee hebben we nu een veel realistischer beeld van de cruciale mechanismen van de translokatie», zegt Kammerer. Totdat deze volledig zijn ontrafeld, zijn nog verdere studies nodig. «Maar met de nu gepubliceerde studie hebben we al een belangrijke stap gezet, die kan helpen om Botulinum Neurotoxin binnenkort veel effectiever te gebruiken, bijvoorbeeld bij de behandeling van pijn.»