Novel "Functional shift" in Cell-Recognition found in Botulinum Neurotoxin Complex

• Project/Area Number: 18K07123
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 49050:Bacteriology-related
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture
• Principal Investigator: SAGANE Yoshimasa 東京農業大学, 生物産業学部, 教授 (00624660)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: ボツリヌス毒素複合体 / タンパク質分解酵素 / 血球凝集素 / ボツリヌス食中毒 / 経口毒性 / タンパク質の構造 / 経口輸送 / 蛋白質 / 毒素複合体 / ボツリヌス毒素 / 翻訳後修飾 / 細胞認識 / ボツリヌス菌 / タンパク質

Outline of Final Research Achievements

Toxin complex (TC) produced by Clostridium botulinum binds to specific sugar chains on small intestinal epithelial cells through the cell recognition function of HA-33, one of constituents of the TC, and permeates the epithelial tissue into the body. In this study, we found that a structural shift was occurred in the HA-33 protein, a component of TC produced by C. botulinum serotype C strain Yoichi, due to intramolecular cleavage during culture of the strain, resulting in changes in cell recognition function. Furthermore, a recombinant protein in which a specific tag protein was introduced into the N- and C-terminal of the HA-33 protein was prepared, and the proteolytic enzyme involved in the primary structural change was estimated.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

現在、ヒトに対するボツリヌス食中毒は大幅に減少した一方で家畜に対するボツリヌス中毒は、世界各地で散発しており一度に多額の被害を与えることがある。ひとたびボツリヌス中毒に罹患すると筋肉麻痺等が長期間に渡って起こることが知られている。ボツリヌス中毒における神経毒性については多くの研究が行われているが、どのようなメカニズムで毒素が体内に侵入するのかについては不明な点が多い。本研究の成果は、ボツリヌス毒素が体内に侵入するメカニズムの解明の一端を示すものであり、ボツリヌス中毒の予防や治療、さらに毒素の体内侵入メカニズムを応用した薬剤送達システムの開発に重要な知見となるものである。

Research Products

• [Journal Article] Atomic force microscopic image data of botulinum neurotoxin complexes with different molecular sizes (2019)
  • Author(s): Shin-Ichiro Miyashita, Yoshimasa Sagane, Takamasa Uchino, Shura Karatsu, Keita Hosoya, Ihsun Huang, Koichi Niwa, Toshihiro Watanabe, Yoichi Niimura, Tomonori Suzuki
  • Journal Title: Data in Brief Volume: 25 Pages: 104193-104193
  • DOI: 10.1016/j.dib.2019.104193
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ボツリヌスD型菌4947株培養液中に出現するボツリヌス毒素タンパク質複合体の経時変化 (2018)
  • Author(s): 細谷 圭汰、唐津 修羅、栗原 淳、菅原 千広、黄 インシュン、渡辺 薫、丹羽 光一、相根 義昌
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ボツリヌスD型神経毒素複合体によって誘導される小腸上皮細胞の細胞骨格の形状変化 (2018)
  • Author(s): 栗原 淳、黄 インシュン、細谷 圭汰、菅原 千広、唐津 修羅、渡辺 薫、丹羽 光一、相根 義昌
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ボツリヌス毒素複合体の各種上皮細胞に対する影響 (2018)
  • Author(s): 黄 インシュン、栗原 淳、菅原 千広、細谷 圭汰、唐津 修羅、渡辺 薫、丹羽 光一、相根 義昌
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ボツリヌス毒素複合体の小腸上皮細胞に対する細胞毒性 (2018)
  • Author(s): 菅原 千広、栗原 淳、黄 インシュン、唐津 修羅、細谷 圭汰、渡辺 薫、相根 義昌、丹羽 光一
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ボツリヌスC型菌Yoichi株が産生する毒素複合体の構造と機能の変化 (2018)
  • Author(s): 唐津 修羅、細谷 圭汰、黄 インシュン、菅原 千広、栗原 淳、渡辺 薫、丹羽 光一、相根 義昌
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ボツリヌス神経毒素結合タンパク質NTNHAのアクチン依存性細胞内輸送 (2018)
  • Author(s): 渡辺 薫、栗原 淳、細谷 圭汰、唐津 修羅、菅原 千広、黄 インシュン、丹羽 光一、相根 義昌
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会