Charakterisierung von Bindungs-, Blockierungs- und Translokationsprozessen am Anthrax-Toxin und verwanten Toxinen der AB7-Gruppe

Bacterial protein toxins belong to the most potent toxins which are known. They exist in many different forms and are part of our every day live. Some of them are spread by the bacteria during infections and therefore play a crucial role in pathogenicity of these strains. Others are secreted as a defense mechanism and could be uptaken with spoiled food. Concerning toxicity, some of the binary toxins of the AB7-type belong to the most potent and dangerous toxins in the world. Even very small amounts of these proteins are able to cause severe symptoms during an infection with pathogen species of the genus Clostridium or Bacillus. Apart from the thread the toxins constitute, they exhibit a unique way of intoxication. Members of the AB7-toxin family consist of a pore-forming subunit B, that acts as a molecular syringe to translocate the enzymatic moieties A into the cytosol of target cells. This complex mechanism does not only kill cells with high efficiency and therefore should be studied for treatment, but also displays a possibility to address certain cells with a specific protein cargo if used as a molecular delivery tool. Concerning both issues, binding and translocation of the channel are the crucial steps to either block or modify the system in the desired way. To gain deeper insight into the transport of binary toxins the structure of the B subunit is of great importance, but being a membrane protein, no crystal could be obtained up to now for either protective antigen (PA) of Anthrax toxin or any other AB7-type binding domain. Therefore, the method of choice in this work is an electro-physical approach using the so-called black-lipid-bilayer system for determination of biophysical constants. Additionally, diverse cell based assays serve as a proving method for the data gained during in vitro measurements. Further information was gathered with specially designed mutants of the protein channel. The first part of this thesis focuses on the translocation process and its possible use as a molecular tool to deliver protein cargo into special cell types. The task was addressed by measuring the binding of different effector proteins related and unrelated to the AB7 toxin family. These proteins were tested in titration experiments for the blockage of the ion current through a membrane saturated with toxin channels. Especially the influence of positively charged His-tags has been determined in detail for PA and C2II. As described in chapter 2, a His-tag transferred the ability of being transported by PA, but not by C2II, to different proteins like EDIN (from S. aureus) in vitro and in cell-based experiments. This process was found to change the well-known voltage-dependency of PA to a huge extend and therefore is related to membrane potentials which play a crucial role in many processes in living cells. Chapter 3 sums up findings, which depict that binding partners of PA share certain common motives. These could be detected in a broad range of substrates, ranging from simple ions in an electrolyte over small molecules to complex protein effectors. The gathered information could be further used to design blocker-substrates for treatment of Anthrax infections or tags, which render PA possible as a molecular syringe for cargo proteins. The deeper insight to homologies and differences of binary toxin components is the core of chapter 4, in which the cross-reactivity of Anthrax and C2-toxin was analyzed. The presented results lead to a better understanding of different motives involved in binding and translocation to and via the B components PA and C2II, as well as the enzymatically active A moieties edema factor (EF), lethal factor (LF) and C2I. In the second part of the thesis, the blockage of intoxication is the center of interest. Therefore, chapter 5 focuses on the analysis of specially designed blocker-substrate molecules for PA. These molecules form a plug in the pore, abolishing translocation of the enzymatic units. Especially, if multi-resistant strains of Anthrax (said to be already produced in Russia as a biological weapon) are taken into consideration, these substrates could stop intoxication and buy time, to deal with the infection. Chapter 6 describes the blockage of PA-channels by anti-His antibody from the trans-side of the porin, an effect which was not described for any other antibody before. Interestingly, even mutation of the estimated target amino acid Histidine 310 to Glycine could not interfere with this ionic strength dependent binding.Bakterielle Protein-Toxine gehören zu den wirksamsten bekannten Toxinen. In vielfältigen Variationen findet man sie in allen Bereichen des Lebens. Einige werden von den Bakterien während einer Infektion freigesetzt und übernehmen einen wichtigen Part in der Pathogenität. Andere werden zu Verteidigungszwecken sekretiert und können in verdorbenen Lebensmitteln gefunden werden. Was die Wirkung binärer Toxine der AB7-Gruppe angeht, so gehören diese zu den potentesten und gefährlichsten Giften weltweit. Selbst kleine Mengen dieser Proteine können schwerste Symptome während einer Infektion mit Bakterien der Gattung Clostridium oder Bacillus verursachen. Abgesehen von der Bedrohung die durch die Toxine ausgeht, zeichnen sie sich durch einen einzigartigen Intoxikationsmechanismus aus. AB7-Toxine sind aus einer porenformenden Domäne B, die als eine Art molekulare Injektionskanüle fungiert, und enzymatisch aktiven Proteinen A zusammengesetzt. Der komplexe Wirkmechanismus ermöglicht es nicht nur Zellen in höchst effektiver Weise abzutöten und sollte deswegen zu Behandlungszwecken untersucht werden, sondern könnte auch als molekulares Werkzeug umfunktioniert werden, um spezielle Zellen mit gewünschten Proteinen zu beladen. Für beide Zwecke (Blockierung und gezielter Transport) ist die Bindung an, und der Transport durch die porenformende Domäne von größter Bedeutung. Die Struktur der B-Domäne ist wichtig um tiefere Einsicht in den Transportprozess der binären Toxine zu ermöglichen. Leider ist es bisher nicht gelungen die Kristallstruktur des Membranproteins protective antigen (PA) von Anthrax oder irgendeiner anderen Bindedomäne eines AB7-Toxins zu lösen. Deshalb wurde in dieser Arbeit ein elektrophysiologischer Ansatz zur Bestimmung der biophysikalischen Konstanten des Prozesses gewählt, die Black-lipid-Bilayer Methode. Zusätzliche Versuche an Zellen und mit Mutanten der Proteine dienen zur Absicherung der in vitro Ergebnisse. Im ersten Teil der Arbeit wird der Translokationsmechanismus, und die mögliche Nutzung dessen als molekulares Werkzeug näher behandelt. Dies erfolgte durch Bindungsstudien an PA und C2II mit Effektoren (sowohl aus der AB7-Familie, als auch nicht näher verwandt). In Kapitel 2 wird beschrieben, dass ein His-Tag es EDIN (von S. aureus) und anderen Effektoren ermöglicht, dass ein Transport durch PA-Poren in vitro und in vivo stattfindet (nicht aber durch C2II). Ebenfalls konnte eine starke Abweichung in der bekannten Spannungsabhängigkeit von PA festgestellt werden, die den Prozess eindeutig mit den Membranpotentialen in Verbindung bringt, die häufig eine wichtige Rolle im Metabolismus spielen. Kapitel 3 fasst zusammen, dass Bindungspartner von PA bestimmte Motive beinhalten, die von Substraten wie Ionen in Elektrolyten, über kleine Moleküle, bis hin zu komplexen Proteinen reichen. Diese Erkenntnisse könnten genutzt werden um Blockersubstanzen zur Behandlung von Anthrax, oder Tags zur Aufnahme durch Anthrax zu designen. Neueste Befunde zu Homologien und Unterschieden zwischen den Komponenten der binären Toxine sind der Kern von Kapitel 4, in dem die Kreuzreaktivität von Anthrax und C2-Toxin analysiert wurde. Die enthaltenen Daten ermöglichen einen tieferen Einblick in die verschiedenen Stufen der Bindung und Translokation des edema factor (EF), des lethal factor (LF) und von C2I an und durch PA und C2II. Im zweiten Teil rückt die Blockierung der Intoxikation in den Fokus. Die Analyse speziell designter Blockersubstanzen für PA wird in Kapitel 5 behandelt. Diese formen einen Porenverschluss, der weiteren Transport von Toxinkomponenten verhindert. Eine besondere Bedeutung könnten diese Substanzen im Zusammenhang mit Multiresitenz bei Anthrax Stämmen (vermutlich in Russland als biologische Waffe hergestellt) zur Verhinderung von Symptomen und der Verlängerung der Zeit spielen, die man hat um neue Antibiotika zu erzeugen. Kapitel 6 beschreibt zum ersten Mal die Blockierung von PA-Poren mittels eines Anti-His Antikörpers von der trans-Seite aus. Interessanterweise trat diese Ionenstärke abhängige Blockierung, auch bei einer Histidin zu Glycin Mutation an der Stelle 310 (vermutete Bindeposition) auf