Structural and functional characterization of A-B toxins: diphtheria toxin and clostridial neurotoxins

Ho effettuato la mia attività di ricerca studiando tre importanti patogeni umani, che sono tossine di tipo A-B: la tossina difterica (DT), la neurotossina tetanica (TeNT) e le neurotossine botuliniche (BoNTs), gli agenti eziologici di difterite, tetano e botulismo, rispettivamente. In termini di organizzazione strutturale queste tossine sono costituite da tre domini: il dominio catalitico (LH), il dominio di translocazione (HN) e il dominio di legame (HC). Questa organizzazione dei domini è strettamente correlata al loro comune meccanismo d’azione che comprende: il legame alla membrane cellulare mediato dal HC, la traslocazione del dominio catalitico nel citoplasma mediata dal canale di permeazione formato dal HN. Ho studiato il cambiamento conformazionale della tossina difterica a pH acido. DT include un dominio di translocazione (dominio T), che forma il canale attraverso il quale il dominio catalitico attraversa la membrana della vescicola endosomica. Fino ad oggi non ci sono dati strutturali che riguardano il canale formato dal dominio T, non si sa neanche se è un monomero o oligomero. Ho eseguito studi biochimici e strutturali per caratterizzare il dominio T di DT. Il dominio T è anche considerato un agente anti-cancro nelle terapie mirate contro le cellule tumorali. Ho ottenuto la struttura tridimensionale della tossina difterica in presenza di doppi strati lipidici (che simulano la membrana della vescicola endosomica) ed in condizioni di pH 5,5 (pH corrispondente all'ambiente acido in cui avviene la il processo di traslocazione). La struttura riportata getta luci sull'evento iniziale di questo processo, la destabilizzazione di tre alfa-eliche presenti nella parte inferiore della tossina (Leka et al., 2014). Ho poi lavorato su un progetto che mirava a caratterizzare la struttura tridimensionale della tosssina tetanica. Poiché la cristallizzazione di questa tossina risulta d’essere molto difficile, mi sono concentrata sull'utilizzo di frammenti di anticorpi (Fab) come tools per aiutare la determinazione strutturale. Analisi da gel nativo e da cromatografia ad esclusione mostrano la formazione di un complesso stabile in vitro tra la tossina ed i relativi Fab. Diversi esperimenti di cristallizzazione sono stati eseguiti, e per il momento non abbiamo ancora informazioni strutturali sulla tossina. Inoltre, ho studiato anche la localizzazione ed il processo di internalizzazione delle tossine botuliniche a livello della giunzione neuromuscolare (NMJ). Ho espresso i domini di legame di diversi sierotipi di tossine botuliniche, domini che sono necessari e sufficienti per il legame alla superficie dei neuroni. I domini di legame sono stati purificati utilizzando cromatografia di affinità e per esclusione, ottendo alla fine una purezza > 90% . Utilizzando i neuroni granulari di cervelletto (CGN), ho testato la loro funzionalità e specificità. Questi domini sono stati iniettati in vivo al fine di analizzare la loro localizzazione a livello della giunzione neuromuscolare. I dati ottenuti con analisi di microscopia confocale ed a fluorescenza mostrano che questi domini si localizzano proprio a livello della giunzione muscolare. Nelle marcature si osserva anche una colorazione diversa tra i diversi sierotipi BoNT, e questo risultato riflette il diverso tempo di intossicazione tra i vari serotipi di tossine botuliniche, e forse anche una diversa localizzazione in diverse vescicole endosomiche.