Jak Botox dostaje się do naszych komórek

Volodymyr Korkhov (linki) oraz Richard Kammerer z Centrum Nauk o Życiu w PSI dokonali ważnego kroku w zrozumieniu, jak neurotoksyna botulinowa, krótko Botox, wnika do naszych komórek nerwowych. © Instytut Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic / Volodymyr M. Korkhov (po lewej) i Richard Kammerer z Centrum Nauk o Życiu w PSI dokonali istotnych postępów w zrozumieniu, jak neurotoksyna botulinowa, krótko Botox, wnika do naszych komórek nerwowych. © Instytut Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic

Badacze z Centrum Nauk o Życiu w Instytucie Paul Scherrer PSI po raz pierwszy wyjaśnili zmiany strukturalne neurotoksyny botulinowej, zwanej potocznie Botoxem, które są uważane za kluczowe podczas jej wnikania do komórki nerwowej. Dzięki temu w przyszłości możliwe byłoby bardziej celowe i kompleksowe zastosowanie tego silnego toksynu nerwowego w terapii, na przykład w leczeniu bólu. Badanie ukazało się w czasopiśmie naukowym Nature Communications.

Neurotoksyna botulinowa A1, znana szerzej pod marką Botox, jest nie tylko popularnym środkiem kosmetycznym, ale także wysoce skutecznym bakteryjnym toksynem nerwowym, który – odpowiednio dawkowany – jest stosowany jako lek. Blokuje przekazywanie sygnałów nerwowych do mięśni: może to rozluźnić mięśnie pod skórą, co jest wykorzystywane w kosmetyce do wygładzania rysów twarzy. Może również łagodzić dolegliwości spowodowane skurczami mięśni lub nieprawidłowymi sygnałami nerwowymi, takimi jak spastyczność, osłabienie pęcherza czy wady wzroku. Jednak zbyt wysokie dawki Botoxu mogą być śmiertelne, prowadząc do paraliżu mięśni oddechowych. Zjawisko to najczęściej występuje w wyniku bakteryjnego zatrucia mięsa i nazywa się „botulizmem”.

Aby jak najskuteczniej stosować neurotoksynę botulinową jako lek, precyzyjnie kontrolować jej działanie i poszerzać możliwości jej zastosowania, badacze chcą lepiej zrozumieć, jak toksyna wnika do komórki nerwowej, aby wywołać swoje działanie. Dotychczas wiadomo było o tym niewiele. „Głównie dlatego, że nie posiadaliśmy jeszcze danych strukturalnych na temat tego, jak wygląda toksyna w pełnej długości, gdy jest związana z receptorem komórki nerwowej” – mówi Richard Kammerer z Centrum Nauk o Życiu PSI. Do tej pory istniały jedynie badania nad strukturą poszczególnych domen toksyny – czyli określonych części jej złożonej budowy molekularnej – oraz nad strukturą takich domen w połączeniu z receptorem lub jedną z domen.

Obserwacje przy minus 160 stopni

Aby to zmienić, Kammerer i jego zespół połączyli siły z grupą badawczą Volodymyra Korkhova. Ta pracuje w tym samym laboratorium PSI i specjalizuje się w badaniach strukturalnych białek, zwłaszcza białek błonowych. W wspólnym badaniu naukowcy przy użyciu tzw. mikroskopii elektronowej kryo zbadali próbki neurotoksyny zarówno samej, jak i w połączeniu z receptorem. W mikroskopii elektronowej kryo próbki zamraża się nagle do minus 160 stopni, bez tworzenia się kryształów lodu. „Dzięki temu próbka zachowuje swoją strukturę na stałe i możemy ją spokojnie badać” – wyjaśnia Basavraj Khanppnavar, pierwszy autor badania. „Dzięki temu uzyskujemy szczególnie precyzyjne wglądy w architekturę molekularną” – dodaje jego koleżanka i również pierwsza autorka, Oneda Leka.

Naukowcy w ten sposób określili zarówno strukturę całej toksyny w jej odrębnej formie, jak i strukturę kompleksu molekularnego w połączeniu z receptorem. Zrobili to przy niskich i obojętnych wartościach pH, takich jakie panują w tzw. pęcherzykach synaptycznych. Po przyłączeniu toksyny do receptora, to pęcherzykowy organellum pochłania toksynę i transportuje ją do wnętrza komórki.

Zwarta forma lepiej interaguje

Jak wykazano, obniżenie pH „dojrzałego” pęcherzyka jest kluczowe dla transportu toksyny z pęcherzyka przez jego błonę do cytoplazmy – czyli części komórki, w której zachodzi większość reakcji biochemicznych i gdzie toksyna wywołuje swoje działanie. „Przy niskim pH, około 5,5, toksyna się wygina z jej zwykle długiej, otwartej formy w kulistą, zwartą formę” – relacjonuje Volodymyr Korkhov. W ten sposób kluczowe domeny białka zbliżają się do błony pęcherzyka. „Przy neutralnym pH, około 7, są one jednak w długiej formie, zbyt daleko od błony, aby mogły się z nią skutecznie interagować” – wyjaśnia. Translokacja toksyny z wnętrza pęcherzyka do cytoplazmy komórki nie może wtedy zajść.

Wśród grup badawczych pracujących nad tym samym tematem, zespół PSI jest pierwszym na świecie, który dostarcza dane strukturalne toksyny w pełnej długości i w kompleksie z receptorem przed translokacją. „Dzięki temu mamy teraz znacznie bardziej realistyczne wyobrażenie o kluczowych mechanizmach translokacji” – mówi Kammerer. Jednak aby w pełni je wyjaśnić, potrzebne są dalsze badania. „Ale już na podstawie opublikowanego badania zrobiliśmy ważny krok, który może pomóc w jeszcze skuteczniejszym wykorzystaniu neurotoksyny botulinowej, na przykład w leczeniu bólu” – podsumowuje.