Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Botox an Nervenzellen bindet

18.11.2013
Botulinum-Neurotoxin A – Botox – ist ein hochgefährliches Gift, das Lähmungen verursacht.

In der Kosmetik wird die Wirkung gezielt zur zeitweiligen Beseitigung von Falten und in der Medizin etwa als Mittel gegen Migräne oder zur Korrektur von Strabismus (Schielen) eingesetzt.


Die dargestellte Struktur zeigt, wie Botox and den Proteinrezeptor Synaptic Vesicle Protein 2 der Nervenzelle bindet. Zu sehen ist die Kristalltruktur des Komplexes bestehend aus der luminalen Domäne

Bild: Roger Benoit/PSI

Ein Forscherteam des Paul Scherrer Instituts, der Universität Utrecht und der Pharmafirma UCB hat nun die Struktur eines Protein-Komplexes bestimmt, die genau zeigt, wie das Toxinmolekül an den Proteinrezeptor der Nervenzelle bindet, deren Aktivität blockiert wird. Die Ergebnisse können nützlich sein für die Entwicklung verbesserter Botox-Medikamente, bei denen die Gefahr einer Überdosierung geringer ist als bisher.

Der Verzehr von verdorbenem Konservenfleisch kann bei Menschen zu Botulismus führen, einer Vergiftung, die lebensgefährliche Lähmungen verursacht. Schuld daran ist unter anderem das Gift Botulinum-Neurotoxin A, das vom Bakterium Clostridium botulinum erzeugt wird, das sich nur in der sauerstofffreien Atmosphäre in der Dose gut vermehren kann. Das Gift greift die Nervenzellen an und verhindert die Weiterleitung von Nervensignalen an die Muskeln. In den letzten Jahrzehnten wurden zunehmend praktische Anwendungen des Toxins entwickelt. Besonders bekannt ist die Verwendung in der Kosmetik, wo die Substanz unter dem Namen Botox verwendet wird.

Unter die Haut gespritzt, führt das Toxin zu einer Entspannung der Muskeln und bringt so zeitweilig Falten zum Verschwinden. Das Mittel kommt aber auch häufig in der Medizin zum Einsatz, wo es etwa gegen Migräne angewandt wird. Bei Menschen, die unter Strabismus leiden, kann man mit Botulinum-Neurotoxin A gezielt einen Augenmuskel etwas schwächen und somit ein normales Sehen ermöglichen.

Synchrotronstrahlen enthüllen die Struktur des Protein-Komplexes

Ein grundlegender Schritt, der für die Entfaltung der Wirkung des Botulinum-Toxins notwendig ist, ist die Bindung von einem Molekül des Gifts an ein Molekül des Proteinrezeptors Synaptic Vesicle Protein 2 der Nervenzelle. Die Verbindung zwischen Rezeptor und Botulinum-Neurotoxin A-Molekül führt zu einer Kaskade von Schritten, durch welche die Nervenzelle gehindert wird, Botenstoffe auszuschütten, die normalerweise den Muskel zur Bewegung anregen.

Einem internationalen Team unter der Leitung von Richard Kammerer am Labor für Biomolekulare Forschung des Paul Scherrer Instituts ist es nun gelungen, die genaue Struktur und somit die molekularen Wechselwirkungen zwischen Botox und dem Rezeptor zu bestimmen. Dazu haben die Wissenschaftler die beiden Moleküle, die an der Bindung beteiligt sind, im gebundenen Zustand untersucht, wobei sie vor allem verstehen wollten, wie genau die beiden Moleküle zusammenhalten.

“Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt, um die Wirkungsweise von Botulinum-Neurotoxin A besser verstehen zu können. Ich bin mir daher sicher, dass unsere Struktur grosse Resonanz im Feld erzeugen wird“, erklärt Kammerer. Zur Strukturbestimmung verwendeten die Forscher das Verfahren der Proteinkristallografie. Bei diesem Verfahren werden grosse Mengen Moleküle hergestellt und in einer regelmässigen Struktur – einem Kristall – angeordnet. Dieser Kristall wird dann mit Röntgenstrahlen aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz durchleuchtet. Die Grundlage dieser Technik besteht darin, dass Röntgenstrahlen durch die Moleküle im Kristall abgelenkt werden. Aus diesem sogenannten Beugungsmuster können die Forscher dann den atomaren Aufbau des untersuchten Moleküls bestimmen.

Neue Medikamente möglich

Die Ergebnisse tragen nicht nur zu unserem besseren Verständnis der Wirkung von Botox bei, sondern können möglicherweise auch von grossem praktischem Nutzen sein. „Botulinum-Neurotoxin A hat als Medikament ein sehr schmales therapeutisches Fenster“, erklärt Roger Benoit, Forscher am PSI und Erstautor des Artikels. „Das heisst, schon bei geringer Überdosierung kann es eine schädliche Wirkung haben. Mit unseren Ergebnissen sollte es möglich sein, Medikamente mit schwächerer Wirkung zu entwickeln, bei denen die Gefahr einer Überdosierung geringer wäre.“

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Kontakt:
Dr. Richard A. Kammerer, Labor für Biomolekulare Forschung, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz

Tel.: +41 (0)56 310 4765; E-Mail: richard.kammerer@psi.ch

Originalveröffentlichung:
Structural basis for recognition of synaptic vesicle protein 2C by botulinum neurotoxin A
Roger M. Benoit, Daniel Frey, Manuel Hilbert, Josta T. Kevenaar, Mara M. Wieser, Christian U. Stirnimann, David McMillan, Tom Ceska, Florence Lebon, Rolf Jaussi, Michel O. Steinmetz, Gebhard F.X. Schertler, Casper C. Hoogenraad, Guido Capitani and Richard A. Kammerer
Nature, Online Vorabveröffentlichung 17. November 2013
Doi: 10.1038/nature12732 http://dx.doi.org/10.1038/nature12732
Weitere Informationen:
http://psi.ch/iYP3 - Webdarstellung der Mitteilung mit weiteren Bildern
http://youtu.be/LTIaYQsIA_0 - kurzer Film, der die Strukturen zeigt.

Dagmar Baroke | idw
Weitere Informationen:
http://www.psi.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Einblick ins geschlossene Enzym
26.06.2017 | Universität Konstanz

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblick ins geschlossene Enzym

26.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Laser – World of Photonics: Offene und flexible Montageplattform für optische Systeme

26.06.2017 | Messenachrichten

Biophotonische Innovationen auf der LASER World of PHOTONICS 2017

26.06.2017 | Messenachrichten