Mechanistic insights into Mtb effector EspB-mediated mitochondrial membrane damage

Tuberculose is een eeuwenoude en hardnekkige moordenaar, veroorzaakt door een bacterie die de kunst heeft geleerd om zich te verstoppen binnen de cellen die juist bedoeld zijn om haar te vernietigen. Wanneer de bewakers van het immuunsysteem, de macrofagen genoemd, deze bacterie inslikken, vangen ze haar meestal op in een klein, zuur blaasje genaamd een fagosoom, waar ze bedoeld is om verteerd te worden. De tuberculosebacterie, bekend als Mycobacterium tuberculosis, heeft echter een geavanceerd wapen ontwikkeld om aan dit lot te ontsnappen. Ze gebruikt een gespecialiseerde moleculaire injectiespuit om eiwitten in de gastheercel te injecteren, waardoor de wanden van de val worden doorbroken en de bacteriën vrij kunnen rondzwemmen. Onder deze geïnjecteerde eiwitten bevindt zich een specifieke effector genaamd EspB. Hoewel wetenschappers wisten dat EspB de energiecentrales van de cel, de mitochondriën, kon beschadigen en uiteindelijk de cel kon doden, bleef het exacte mechanisme een mysterie. Het was bekend dat EspB aan de vetrijke membranen van mitochondriën kon plakken, maar experimenten toonden aan dat lipiden alleen niet voldoende waren om te verklaren hoe het eiwit dergelere schade aanrichtte. De vraag was of de bacterie een specifieke sleutel nodig had om de deur naar de mitochondriën te openen, of dat het vette membraan op zichzelf voldoende was.

Een team onderzoekers aan het Indian Institute of Science heeft nu dit puzzelstukje opgelost, en onthuld dat EspB niet alleen werkt. In plaats daarvan functioneert het als een tweeledig instrument dat zowel een kleverig oppervlak als een specifiek handvat vereist om te werken. De studie toont aan dat EspB de mitochondriën aanvalt door zich tegelijkertijd vast te klampen aan twee dingen: de vette lipiden die het buitenste mitochondriale membraan vormen en een specifieke receptorproteïne genaamd Tom70. Tom70 is een normaal onderdeel van de cel, dat gewoonlijk verantwoordelijk is voor het helpen van andere eiwitten om de mitochondriën binnen te komen. De onderzoekers ontdekten dat EspB dit eiwit kaapt en het gebruikt als een dockingstation om zichzelf stevig aan het mitochondrium te verankeren. Zonder deze verbinding met Tom70 kan EspB niet effectief aan de mitochondriën binden of de schade veroorzaken die leidt tot celsterfte.

Om dit mechanisme te ontrafelen, isoleerden de wetenschappers eerst het EspB-eiwit en de mitochondriën uit cellen. Ze observeerden dat wanneer EspB met mitochondriën werd gemengd, het aan het oppervlak bleef plakken, wat ervoor zorgde dat het mitochondriale membraan ging lekken. Echter, wanneer ze de mitochondriën behandelden met enzymen die de eiwitten op het oppervlak wegvraten, verloor EspB zijn grip en kon het niet langer effectief binden. Dit suggereerde dat een eiwitreceptor essentieel was voor de interactie. Om dit ontbrekende stukje te identificeren, mengde het team de eiwitten met mitochondriale extracten en gebruikte een techniek genaamd massaspectrometrie om het resulterende mengsel te analyseren. De analyse wees direct naar Tom70 als de primaire partner. Verdere experimenten bevestigden dat EspB stevig bindt aan Tom70, met een specifieke sterkte die werd gemeten op een niveau van 131,5 nanomolair, wat wijst op een sterke en specifieke verbinding.

De onderzoekers bestudeerden vervolgens de structuur van deze samenwerking met behulp van een krachtige beeldvormingstechniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie, waarmee wetenschappers moleculen kunnen zien met bijna atomaire resolutie. Ze ontdekten dat EspB een ringvormige structuur vormt bestaande uit zeven delen, en wanneer het zich aan Tom70 hecht, zit de receptor aan de onderkant van deze ring, waarbij deze het centrale gat gedeeltelijk blokkeert. De beelden toonden aan dat de verbinding niet rigide is; het Tom70-eiwit kan zijn positie licht verschuiven, wat wijst op een flexibele maar stevige hechting. Door een gedetailleerd model te bouwen van hoe deze twee moleculen in elkaar passen, identificeerde het team twee specifieke plaatsen op het EspB-eiwit, gelegen op de posities 69 en 179, die fungeren als de primaire contactpunten. Deze plekken vormen chemische verbindingen met het Tom70-eiwit, waardoor de twee aan elkaar worden vergrendeld.

Om te bewijzen dat deze specifieke contactpunten cruciaal waren, creëerden de wetenschappers mutante versies van het EspB-eiwit waarbij deze twee plekken waren gewijzigd. Wanneer ze deze mutanten testten, ontdekten ze dat het gewijzigde EspB niet langer aan Tom70 kon binden. In levende gistcellen, die dienen als model voor menselijke cellen, veroorzaakte het normale EspB-eiwit de dood van de cellen door een proces te triggeren dat vergelijkbaar is met apoptose, of geprogrammeerde cel dood. Deze dood ging gepaard met een instorting van het vermogen van de mitochondriën om energie te produceren en een verlies van de elektrische lading over hun membranen. Echter, wanneer de cellen werden blootgesteld aan het mutante EspB dat niet aan Tom70 kon binden, bleven de mitochondriën gezond en overleefden de cellen. Dit bevestigde dat de interactie met Tom70 niet slechts een bijproduct is, maar de essentiële stap die de mitochondriën in staat stelt om de cel te vernietigen.

De bevindingen suggereren een duidelijke opeenvolging van gebeurtenissen tijdens een infectie. Zodra de tuberculosebacterie ontsnapt aan de initiële val binnen de macrofaag, laat het EspB vrij in het binnenste van de cel. Dit eiwit zoekt vervolgens de mitochondriën op, waarbij het de Tom70-receptor gebruikt om zich te verankeren. Eenmaal gehecht, verstoort het complex het mitochondriale membraan, stopt de productie van energie en triggert het de zelfvernietigingsmechanismen van de cel. Deze celsterfte verzwakt de defensie van het immuunsysteem en helpt de bacteriën zich te verspreiden. De studie sluit de mogelijkheid uit dat EspB uitsluitend werkt door interactie met de vette lipiden van het membraan; zonder de Tom70-receptor vindt de schade niet plaats. Hoewel de onderzoekers niet de exacte atomaire structuur van het gehele complex konden bepalen vanwege de flexibiliteit van de eiwitten, laat het bewijs uit meerdere experimenten weinig ruimte voor twijfel dat dit partnerschap de sleutel is tot de dodelijke strategie van de bacterie. Door precies te begrijpen hoe EspB zich aan Tom70 vastklamt, hebben wetenschappers nu een duidelijker beeld van hoe tuberculose het menselijk immuunsysteem uitschakelt, wat potentieel nieuwe wegen opent voor behandelingen die deze specifieke interactie kunnen blokkeren en de bacteriën in hun spoor kunnen stoppen.