Für den Monat Februar 2021 geht das „Paper of the Month“ der Medizinischen Fakultät der WWU Münster an:

Dr. Paweena Chaoprasid und Dr. Sabrina Mühlen aus dem Institut für Infektiologie für die Publikation:
 

Crystal structure of bacterial cytotoxic necrotizing factor CNFy reveals molecular building blocks for intoxication

BY: Chaoprasid, Paweena; Lukat, Peer; Muehlen, Sabrina; et al.
EMBO JOURNAL  

Volume: ‏ 40 Issue: ‏ 4 Article Number: e105202
Published FEB 2021
 

Begründung der Auswahl:

Die Arbeit klärt die Feinstruktur des bakteriellen Exotoxins “cytotoxic necrotizing factor CNFgamma” auf und beschreibt daraus ableitbare Transportphänomene wie Sekretion und Translokationskapazitäten sowie anschließende zellvergiftende Wirkmechanismen nach Endozytose über Rho GTPasen. Die Arbeit ist von grundlegender Bedeutung für die Rolle von bakteriellen Exotoxinen, aber auch für die eventuelle Nutzung solcher Strukturen für den Transport anderer Proteine (cargo function).
 

Zu Hintergrund, Fragestellung und Bedeutung der Publikation:

Cytotoxische nekrotisierende Faktoren sind bakterielle, monomere Exotoxine, die cytokinetische, onkogene und inflammatorische Prozesse durch die Aktivierung von Rho-GTPasen in Wirtszellen auslösen. Um ihre Wirkung zu entfalten, werden sie aktiv durch die bakterielle Zellhülle aus und in die Wirtszelle über spezielle Wirtsrezeptoren eintransportiert und dort aktiviert. Wie dies erfolgt war unbekannt.

In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Struktur und Funktion des vollständigen, autosekretierten CNFy Toxins aufgeklärt und die Funktionen dieses Faktors analysiert. Dabei wurden fünf Domänen identifiziert von denen die Domänen 1-3 die Sekretion aus der bakteriellen Zelle, die Zellbindung und den endosomalen Eintransport der katalytischen Einheit (Domäne 4-5) in menschliche Zellen vermitteln. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit der proteolytischen Abspaltung und dem Austransport der katalytischen Untereinheit (Domänen 4-5) vom Endosom in das Cytosol eine strukturelle Veränderung des abgespaltenen Fragmentes einhergeht, wobei erst das reaktive Zentrum des Toxins exponiert und dadurch aktiviert wird.

Durch die erworbenen Erkenntnisse lässt sich jeder Toxin-Domäne eine spezielle Funktion zuordnen und evt. für therapeutische Zwecke nutzen. Das CNF-Translokationsmodul konnte bereits als Transportvehikel genutzt werden, um Fremdproteine in menschliche Zellen zu schleußen; die katalytische Domäne wirkt gegen neurologische Erkrankungen und Krebs.
 

Background and fundamental question of the publication:

Cytotoxic necrotizing factors (CNFs) are bacterial single‐chain exotoxins that modulate cytokinetic, oncogenic and inflammatory processes through activation of host cell Rho GTPases. To achieve this, they are secreted, bind surface receptors to induce endocytosis and translocation into the cytosol to intoxicate host cells. How all these processes are managed by the toxin was unclear.

In the present study we determined the three‐dimensional structure of the large full-length, autosecreted CNFy toxin and analyzed its functions. This revealed five domains of which domains 1-3 act as export and translocation module for the catalytic unit (domains 4-5). We further found that proteolytic cleavage and export of catalytic domain 4-5 from the endosome into the cytocol changed the overall position of domain 5, whereby the catalytic unit is liberated from a blocked conformation and activated.

Gained knowledge allowed us to allocate a special function to all toxin domains which could be used for therapeutic purposes. The translocation module was already utilized as transport vehicle (potential drug delivery tool) for other proteins into human cells; the catalytic domain acts against neurological disorders and cancer.
 

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