Механизм действия бактериальных токсинов в смертельных атаках

Для убийства живого организма достаточно всего одной тысячной миллиграмма бактериального ботулинического токсина. Свой смертельный эффект токсин проявляет, блокируя высвобождение нейромедиаторов в месте соединения нервных клеток с мышцами, тем самым парализуя их. Этот процесс, кажущийся простым, на самом деле является сложной многоступенчатой процедурой. Не менее сложным и очень эффективным является процесс интоксикации, вызываемый токсин-комплексами (Tc) — факторами вирулентности многих бактерий, включая патогены насекомых и человека.

Бактериальный шприц доставляет смертельный фермент

Механизм действия Tc-токсинов был в значительной степени раскрыт лишь недавно благодаря работе команды Стефана Раунзера по структурной биологии в Институте Макса Планка в Дортмунде. «Расшифровка структуры субъединиц Tc-токсина и их сборки с помощью криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) позволила нам понять ключевые этапы активации токсина и проникновения через мембрану», — говорит Раунзер. Учёные показали, что субъединицы токсин-комплекса работают вместе, как шприц: после сборки структурные изменения в комплексе запускают открытие «кокона», содержащего токсичный фермент, который затем уникальным инъекционным механизмом секретируется через канал в клетку хозяина. Там он проявляет свой смертельный эффект, нарушая регуляцию цитоскелета клетки, состоящего из сети полимеризованных актиновых (F-актиновых) филаментов, участвующих во многих важнейших клеточных процессах.

Подготовка противника путём сокращения дистанции удара

«Долгое время нам не удавалось получить полную картину процесса интоксикации, поскольку у нас не было структурных данных о секретируемых ферментах, одним из которых является TccC3», — вспоминает Раунзер. До недавнего времени было известно лишь, что TccC3 переносит ADP-рибозную группу на актин, способствуя его аномальной полимеризации, что приводит к слипанию актиновых филаментов. «TccC3 — это то, что мы называем «сложной» системой для структурных исследований из-за её размера и высокой гибкости», — говорит Хартмут Ошкинат. «Только применение ЯМР-спектроскопии в растворе позволило нам преодолеть эту проблему и впервые визуализировать трёхмерную структуру белка». Объединив два дополнительных «снимка» cryo-EM — TccC3, связанного с F-актином, и модифицированного F-актина отдельно, — учёные раскрыли уникальный механизм действия фермента. «TccC3 действует как боксёр, который подготавливает своего противника, чтобы сделать его уязвимым для атаки», — говорит Стефан Раунзер. На первом этапе фермент связывается с областью между двумя последовательными субъединицами актина в F-актине. Затем TccC3 открывает «ворота», которые подводят молекулу NAD+, содержащую ADP-рибозную группу, на расстояние удара до реактивного сайта на актине. Как только громоздкая ADP-рибозная группа переносится на F-актин, он становится недоступен для своих деполимеризующих факторов, в результате чего F-актин больше не может быть расщеплён и слипается.

Помимо этого открытия, полученные данные помогли сформулировать объяснение поразительно высокой эффективности фермента. Когда фермент отсоединяется от F-актина, его механизм «ворот» предотвращает бесполезное повторное связывание с уже модифицированным актином, подготавливаясь к следующей атаке. «Потрясающе, как все эти механизмы эволюционировали, чтобы довести эффективность токсинов до максимума. И природа проделала довольно хорошую работу, поскольку ботулотоксины, рицин и другие биотоксины до сих пор считаются самыми токсичными известными веществами», — заключает Раунзер.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.