Mechanistic insights into Mtb effector EspB-mediated mitochondrial membrane damage

Tuberkulose ist ein uralter und hartnäckiger Killer, verursacht durch ein Bakterium, das die Kunst perfektioniert hat, sich in den Zellen zu verstecken, die eigentlich dazu bestimmt sind, es zu vernichten. Wenn die Wächter des Immunsystems, die Makrophagen genannt werden, dieses Bakterium verschlingen, sperren sie es normalerweise in eine kleine, saure Blase namens Phagosom, in der es verdaut werden soll. Das Tuberkulose-Bakterium, bekannt als Mycobacterium tuberculosis, hat jedoch eine ausgeklügelte Waffe entwickelt, um diesem Schicksal zu entkommen. Es nutzt eine spezialisierte molekulare Spritze, um Proteine in die Wirtszelle zu injizieren, die die Wände der Falle aufbrechen und den Bakterien erlauben, frei umherzuwandern. Zu den injizierten Proteinen gehört ein spezifischer Effektor namens EspB. Während Wissenschaftler wussten, dass EspB die Kraftwerke der Zelle, die Mitochondrien, beschädigen und letztlich die Zelle töten kann, blieb der genaue Mechanismus ein Rätsel. Es war bekannt, dass EspB an die fettigen Membranen der Mitochondrien binden kann, aber Experimente zeigten, dass Lipide allein nicht ausreichten, um zu erklären, wie das Protein einen solchen schweren Schaden anrichtete. Die Frage war, ob das Bakterium einen spezifischen Schlüssel benötigte, um die Tür zu den Mitochondrien aufzuschließen, oder ob die Fettschicht für sich genommen ausreichend war.

Ein Team von Forschern am Indian Institute of Science hat dieses Rätsel nun gelöst und enthüllt, dass EspB nicht alleine agiert. Stattdessen fungiert es wie ein zweiteiliges Werkzeug, das sowohl eine klebrige Oberfläche als auch einen spezifischen Griff benötigt, um zu funktionieren. Die Studie zeigt, dass EspB die Mitochondrien angreift, indem es zwei Dinge gleichzeitig ergreift: die fetthaltigen Lipide, die die äußere Mitochondrienmembran bilden, und ein spezifisches Rezeptorprotein namens Tom70. Tom70 ist ein normaler Bestandteil der Zelle und ist normalerweise dafür verantwortlich, anderen Proteinen beim Eintritt in die Mitochondrien zu helfen. Die Forscher fanden heraus, dass EspB dieses Protein entführt und es als Andockstation nutzt, um sich fest an das Mitochondrium zu verankern. Ohne diese Verbindung zu Tom70 kann EspB nicht effektiv an die Mitochondrien binden oder den Schaden verursachen, der zum Zelltod führt.

Um diesen Mechanismus zu entschlüsseln, isolierten die Wissenschaftler zuerst das EspB-Protein und die Mitochondrien aus Zellen. Sie beobachteten, dass EspB, wenn es mit Mitochondrien gemischt wurde, an deren Oberfläche haftete und die Mitochondrienmembran zum Lecken brachte. Als sie jedoch die Mitochondrien mit Enzymen behandelten, die die Proteine auf der Oberfläche zersetzten, verlor EspB seinen Halt und konnte nicht mehr effektiv binden. Dies deutioierte darauf hin, dass ein Proteinrezeptor für die Interaktion essenziell war. Um dieses fehlende Teil zu identifizieren, mischte das Team die Proteine mit Mitochondrienextrakten und nutzte eine Technik namens Massenspektrometrie, um das resultierende Gemisch zu analysieren. Die Analyse deutete direkt auf Tom70 als primären Partner hin. Weitere Experimente bestätigten, dass EspB fest an Tom70 bindet, mit einer spezifischen Bindungsstärke von 131,5 Nanomolar, was auf eine starke und spezifische Verbindung hindeutet.

Die Forscher untersuchten dann die Struktur dieser Partnerschaft mit einer leistungsstarken Bildgebungstechnik namens Kryo-Elektronenmikroskopie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Moleküle mit nahezu atomarer Auflösung zu sehen. Sie fanden heraus, dass EspB eine ringförmige Struktur aus sieben Teilen bildet, und wenn es sich an Tom70 bindet, sitzt der Rezeptor am Boden dieses Rings und blockiert teilweise die zentrale Öffnung. Die Bilder zeigten, dass die Verbindung nicht starr ist; das Tom70-Protein kann seine Position leicht verschieben, was auf eine flexible, aber feste Anheftung hindeutet. Durch den Aufbau eines detaillierten Modells, wie diese beiden Moleküle zusammenpassen, identifizierte das Team zwei spezifische Stellen auf dem EspB-Protein, die sich an den Positionen 69 und 179 befinden und als primäre Kontaktpunkte dienen. Diese Stellen bilden chemische Bindungen mit dem Tom70-Protein und verriegeln die beiden miteinander.

Um zu beweisen, dass diese spezifischen Kontaktpunkte entscheidend waren, erstellten die Wissenschaftler mutierte Versionen des EspB-Proteins, bei denen diese beiden Stellen verändert wurden. Als sie diese Mutanten testeten, stellten sie fest, dass das veränderte EspB nicht mehr an Tom70 binden konnte. In lebenden Hefezellen, die als Modell für menschliche Zellen dienen, verursachte das normale EspB-Protein den Zelltod, indem es einen Prozess ähnlich der Apoptose, oder dem programmierten Zelltod, auslöste. Dieser Tod wurde von einem Zusammenbruch der Fähigkeit der Mitochondrien zur Energieproduktion und einem Verlust der elektrischen Ladung über ihre Membranen begleitet. Wenn die Zellen jedoch dem mutierten EspB ausgesetzt wurden, das nicht an Tom70 binden konnte, blieben die Mitochondrien gesund und die Zellen überlebten. Dies bestätigte, dass die Interaktion mit Tom70 nicht nur ein Nebeneffekt ist, sondern der entscheidende Schritt, der es EspB ermöglicht, die Mitochondrien zu zerstören.

Die Ergebnisse deuten auf eine klare Abfolge von Ereignissen während einer Infektion hin. Sobald das Tuberkulose-Bakterium der anfänglichen Falle im Makrophagen entkommt, setzt es EspB in das Innere der Zelle frei. Dieses Protein sucht dann die Mitochondrien auf, indem es den Tom70-Rezeptor nutzt, um sich zu verankern. Einmal angeheftet, stört der Komplex die Mitochondrienmembran, stoppt die Energieproduktion und löst den Selbstzerstörungsmechanismus der Zelle aus. Dieser Zelltod schwächt die Verteidigung des Immunsystems und hilft den Bakterien, sich auszubreiten. Die Studie widerlegt die Vorstellung, dass EspB ausschließlich durch die Interaktion mit den Fettschichten der Membran wirkt; ohne den Tom70-Rezeptor tritt der Schaden nicht ein. Obwohl die Forscher nicht die exakte Atomstruktur des gesamten Komplexes aufgrund der Flexibilität der Proteine bestimmen konnten, lässt die Evidenz aus mehreren Experimenten kaum Zweifel daran, dass diese Partnerschaft der Schlüssel zu der tödlichen Strategie des Bakteriums ist. Indem sie genau verstehen, wie EspB an Tom70 andockt, haben Wissenschaftler nun ein klareres Bild davon, wie Tuberkulose das menschliche Immunsystem außer Gefecht setzt, was potenziell neue Wege für Behandlungen eröffnet, die diese spezifische Interaktion blockieren und die Bakterien aufhalten könnten.