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Peer-reviewed / Experimental study / Cells

Suicide system in tuberculosis bacteria might hold key to treatment

Tuberculosis (TB) is one of the top ten causes of death worldwide. In 2017, 10 million people around the world fell ill with TB and 1.3 million died. The genome of the bacterium that causes TB holds a special toxin-antitoxin system with spectacular action: once the toxin is activated, all bacterial cells die, stopping the disease.

An international research team co-led by the Wilmanns group at EMBL in Hamburg investigated this promising feature for therapeutic targets. They now share the first high-resolution details of the system in Molecular Cell.

This illustration shows sections of Mycobacterium tuberculosis bacteria. The Pac-Man symbolizes the toxin, which in the absence of its antitoxin counterpart, ‘eats up’ the NAD+, causing the cell to die. In the bacterium in the back, the Pac-Man’s mouth is blocked by the antitoxin, preventing the degradation of NAD+ and allowing the cell to grow normally. Illustration: Beata Edyta Mierzwa.

Mycobacterium tuberculosis is the bacterium that causes TB in humans. Its genome holds 80 so-called toxin-antitoxin (TA) systems: sets of closely linked genes that encode both a toxic protein and an antitoxin: a toxin-neutralising antidote.

When the bacteria are growing normally, toxin activity is blocked by the antitoxin’s presence. But under stress conditions such as lack of nutrients, dedicated enzymes rapidly degrade the antitoxin molecules. This activates the toxin proteins in the cell and slows down the growth of the bacteria, allowing them to survive the stressful environment.

One particular TA system has a more drastic effect: in the absence of the antitoxin, the toxin kills the bacteria. As this system holds potential for therapeutic targets, researchers from EMBL Hamburg, the IPBS at the CNRS/Université de Toulouse, and the Crick Institute in London joined forces to study this TA system in more detail.

“Our goal was to see the TA system’s structure, so we could try to understand and even manipulate it. It was as if we were working blindly before”, says Annabel Parret, EMBL staff scientist in the Wilmanns group, who led the project.

The high-resolution structure – solved within eight months by first author Diana Freire – revealed a large and compact system with a double-doughnut shape. “It looks like a diamond, and it is very stable,” says EMBL group leader Matthias Wilmanns. The structure resembles the toxins of cholera and diphtheria: diseases that caused epidemics with hundreds of thousands of people dying even within the past 100 years.

Knowledge of the structure gave important guidance for further studying the system’s biochemistry – a challenging part of the project. By using an interdisciplinary approach, the team were able to discover the details of the TA system’s mode of action. When the toxin dissociates from its antidote, it becomes activated and starts to degrade essential cellular metabolites called NAD+ molecules. This “suicide” activity ultimately leads to the death of all bacterial cells. Why the bacteria have such a suicide system is puzzling, but there is no doubt it has the potential to be exploited as a drug target.

“Our collaborators in Toulouse were already able to extend the lifetime of mice infected with TB by activating the toxin in a controlled way,” says Parret. “If we find molecules that can disrupt the TA system – and thus trigger cell death – in TB patients, that would be the perfect drug.”

The team will now screen thousands of small molecules to see if they have this capability. However, the structure of the TA system is so stable that it will be a big challenge to find an entry point where they can go in to break it. Wilmanns: “But if we succeed, this could be a new approach for treating TB and other infectious diseases.”

This project was a collaboration between researchers from the Wilmanns group at EMBL Hamburg and the Neyrolles group at the IPBS, CNRS/Université de Toulouse, and involved the Carvalho group at the Francis Crick Institute in London. The research team has started a partnership to work towards a potential TB drug, through EMBL’s technology transfer arm EMBLEM.

More information
EMBL Press Office
pressoffice@embl.de

Source article
Freire, D.M., Gutierrez, C., et al. An NAD+ phosphorylase toxin triggers Mycobacterium tuberculosis cell death. Molecular Cell, published online 18 February 2019. DOI: 10.1016/j.molcel.2019.01.028

This post was originally published on EMBL news.

** German **

Eingebautes Selbstmordsystem in Tuberkulosebakterien könnte neuartigen Schlüssel zur Behandlung von Tuberkulose liefern

Tuberkulose (TB) ist eine der zehn häufigsten Todesursachen weltweit. 2017 erkrankten weltweit 10 Millionen Menschen an TB, und 1,3 Millionen starben daran. Das Genom des TB-Erregers enthält ein spezielles Toxin-Antitoxin-System mit spektakulärer Wirkung: Sobald das Toxin aktiviert ist, sterben alle Bakterienzellen ab, und die Krankheit kommt zum Stillstand.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Wilmanns-Gruppe des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) in Hamburg untersuchte diesen vielversprechenden Mechanismus für therapeutische Angriffspunkte. Den Funktionsmechanismus des Systems veröffentlicht das Team nun in der Fachzeitschrift Molecular Cell.

Neuartiges NAD+ abbauendes Gift löst den Zelltod von Tuberkolosse verursachenden Bakterien aus. Die Abbildung zeigt Ausschnitte von Mycobacterium tuberculosis Bakterien. Der Pac-Man symbolisiert das Toxin, das in Abwesenheit seines Antitoxin-Gegenparts das NAD+ "auffrisst", wodurch die Zelle stirbt. Im hinteren Bakterium wird der Mund des Pac-Man durch das Antitoxin blockiert, wodurch der Abbau von NAD+ verhindert wird und die Zelle normal wachsen kann. Illustration: Beata Edyta Mierzwa.

Mycobacterium tuberculosis ist der Erreger von TB beim Menschen. Das Genom dieses Bakteriums enthält 80 so genannte Toxin-Antitoxin-Systeme (TA-Systeme): Paare von eng miteinander verknüpften Genen, die zum einen ein toxisches Protein und zum anderen ein Antitoxin, ein das Toxin blockierendes Protein, kodieren.
Bei normalem Wachstum der Bakterien wird die Aktivität des Toxins durch die Anwesenheit des Antitoxins gehemmt. Doch unter Stressbedingungen können spezielle Enzyme die Antitoxinmoleküle schnell abbauen und somit die jeweiligen Toxinproteine in der Zelle aktivieren. Für die meisten TA-Paare wird das Wachstum lediglich verlangsamt und die Bakterien können die Stresssituation überleben.

Das in der vorliegenden Arbeit untersuchte TA-System hat aber viel drastischere Auswirkungen: In Abwesenheit des Antitoxins tötet es die Tuberkulose-Zellen. Da sich hiermit neue Möglichkeiten für therapeutische Ansätze eröffnen, schlossen sich Forscher des EMBL Hamburg und des IPBS an der CNRS/Université de Toulouse und dem Crick Institut in London zusammen, um dieses TA-System näher zu untersuchen.

„Unser Ziel war es, die Struktur des TA-Systems zu sehen, um sie verstehen und vielleicht sogar manipulieren zu können. Es war, als hätten wir vorher blind gearbeitet“, sagt Annabel Parret, wissenschaftliche EMBL-Mitarbeiterin in der Wilmanns-Gruppe, die das Projekt leitete.

Die hochaufgelöste Struktur – die von Erstautorin Diana Freire innerhalb von acht Monaten aufgeklärt werden konnte – zeigte das TA-Paar in einem großen Komplex in Form eines Doppelrings. „Dieser Komplex sieht sehr stabil aus und wird nicht leicht zu knacken sein“, erklärt EMBL-Gruppenleiter Matthias Wilmanns. In seiner Struktur ähnelt das Toxinen den bereits bekannten Toxinen von Cholera und Diphtherie, Krankheiten, die noch in den letzten 100 Jahren Epidemien mit Hunderttausenden von Toten verursachten.

Aus der Kenntnis der Struktur ergaben sich wichtige Hinweise für die weitere Untersuchung der biochemischen Eigenschaften des Systems – eine anspruchsvolle Teilaufgabe des Projekts. Durch einen interdisziplinären Ansatz konnte das Team die Einzelheiten des Wirkungsmechanismus des TA-Systems enthüllen. Durch das Toxin wird ein wichtiges zelluläres Stoffwechselprodukt namens NAD+ abgebaut und somit dem Stoffwechsel entzogen. Warum die Bakterien über ein solches Selbstmordsystem verfügen, bleibt ein Rätsel; außer Zweifel steht jedoch, dass es sich als potenzieller Angriffspunkt für neue Medikamente anbietet.

„Unsere Kooperationspartner in Toulouse konnten bereits die Lebensdauer von TB-infizierten Mäusen verlängern, indem sie das Toxin kontrolliert aktivierten“, sagt Parret. „Wenn es uns gelänge, bei Tuberkulosepatienten Moleküle zu finden, die imstande sind, das TA-System zu stören – und damit den Zelltod auszulösen –, könnte sich daraus ein vielversprechendes Medikament entwickeln.“

Das Team will in Zusammenarbeit mit der Wirkstoffforschungsallianz mit einem führende Biotechunternehmen Tausende von kleinen Molekülen auf diese Fähigkeit hin untersuchen. Die Struktur des TA-Systems ist jedoch so stabil, dass es sehr schwer sein wird, einen Eintrittspunkt zu finden, über den sie sich aufbrechen lässt. „Gemeinsam mit unseren Forschungspartnern wollen wir nun besser den natürlichen Mechanismus verstehen, der zur Befreiung des für das Tuberkulosebakteriums tödlichen Toxins von seinem Gegengift führt und es somit aktiviert. Sollte uns dies gelingen,“ so Wilmanns, „könnte dies ein neuartiger und vielversprechender Ansatz zur Behandlung von TB und anderen Infektionskrankheiten sein.“

Dieses Projekt war eine Kooperation zwischen Forschern der Wilmanns-Gruppe am EMBL Hamburg und der Neyrolles-Gruppe am IPBS, CNRS/Université de Toulouse, an der auch die Carvalho-Gruppe am Francis Crick Institute in London beteiligt war. Das Forschungsteam hat über die Technologietransferstelle EMBLEM des EMBL eine Partnerschaft ins Leben gerufen, um an der Entwicklung eines potenziellen TB-Medikaments zu arbeiten.

Quellartikel
Freire, D.M., Gutierrez, C., et al. An NAD+ phosphorylase toxin triggers Mycobacterium tuberculosis cell death. Molecular Cell, online veröffentlicht am 18. Februar 2019. DOI: 10.1016/j.molcel.2019.01.028

Weitere Auskünfte erteilt
Patrick Müller
EMBL Press Office
pressoffice@embl.de

** French **

Un mécanisme de suicide bactérien en passe de donner naissance à un traitement pour la tuberculose

La tuberculose est l’une des dix premières causes de décès à l’échelle internationale. En 2017, 10 millions de personnes dans le monde ont contracté la tuberculose dont 1,3 million qui sont décédés à la suite de la maladie. Le génome de la bactérie qui cause la tuberculose présente un système toxine-antitoxine spécifique avec une activité spectaculaire : une fois la toxine activée, toutes les cellules bactériennes meurent éradiquant ainsi la maladie.

Une équipe de recherche internationale codirigée par le groupe Wilmanns de l’EMBL à Hambourg a étudié cette particularité prometteuse à des fins thérapeutiques. Elle partage à présent les premières informations concernant le système, détaillées à haute résolution, dans la revue « Molecular Cell ».

Une nouvelle toxine dégradant, le NAD +, déclenche la mort cellulaire des bactéries responsables de la tuberculose. L'illustration montre des sections de la bactérie Mycobacterium tuberculosis. Le Pac-Man symbolise la toxine qui, en l’absence de son homologue antitoxine, 'mange' le NAD +, provoquant la mort de la cellule. Dans la bactérie dans le dos, la bouche de Pac-Man est bloquée par l’antitoxine, empêchant la dégradation de NAD + et permettant à la cellule de se développer normalement. Illustration: Beata Edyta Mierzwa.

Le terme Mycobacterium tuberculosis désigne la bactérie responsable de la tuberculose chez l’homme. Son génome compte 80 systèmes, dits systèmes toxine-antitoxine (TA) : des ensembles de gènes étroitement liés qui encodent une protéine cytotoxique et une antitoxine, c’est-à-dire un antidote qui neutralise la toxine.

Lorsque les bactéries se développent normalement, l’activité toxique de la toxine est bloquée par la présence de l’antitoxine. Toutefois, lorsque des facteurs de stress existent, des enzymes dédiées dégradent rapidement les molécules antitoxines ce qui active les protéines cytotoxiques dans la cellule, et ralentit la croissance, permettant aux bactéries de résister au stress. Un système TA en particulier a un effet bien plus spectaculaire : en l’absence de l’antitoxine, la toxine tue les cellules. Or, ce système présentant un intérêt pour les cibles thérapeutiques, les chercheurs de l’EMBL Hambourg et de l’IPBS de CNRS/Université de Toulouse ont uni leurs forces pour en approfondir l’étude.

« Nous avions comme objectif de découvrir la structure du système TA afin d’essayer de le comprendre, voire de le manipuler. Auparavant, c’était comme si nous travaillions en aveugle, explique Annabel Parret, scientifique au sein du groupe Wilmanns et qui dirige le projet chez EMBL. »

La structure à haute résolution, résolue en huit mois par l’auteur principal, Diana Freire, a mis en évidence un système étanche et de grande taille en forme de double anneau. « Il ressemble à un diamant très stable », ajoute le chef du groupe de l’EMBL, Matthias Wilmanns. La structure s’apparente aux toxines du choléra et de la diphtérie : deux maladies qui sont à l’origine d’épidémies ayant décimées des centaines de milliers de personnes au cours du dernier siècle.

La connaissance de la structure donne une orientation importante aux recherches futures sur la biochimie du système, une partie passionnante du projet. C’est grâce à une approche interdisciplinaire que l’équipe est parvenue à mettre en évidence les détails du mode d’action du système TA. La dissociation du système TA permet l’activation de la toxine qui sera alors libre de dégrader une molécule essentiale à la survie de la bactérie : NAD+. La consommation de molécules NAD+ induit un mécanisme de suicide qui a pour conséquence la mort des bactéries. Bien que l’origine d’un tel système suicide reste inexpliqué, il n’ y  aucun doute quant à son intérêt en tant que cible médicamenteuse.

« Nos collaborateurs basés à Toulouse étaient déjà capables d’allonger la durée de vie de souris ayant contracté la tuberculose en activant la toxine de façon contrôlée », explique Annabel Parret. « Si nous découvrons des molécules qui peuvent dissocier le système TA et, par conséquent, déclencher la mort des bactéries chez les patients atteints de tuberculose, nous aurons entre les mains le médicament parfait. »

L’équipe travailles pour déceler parmi des milliers de petites molécules la perle rare capable de provoquer la séparation des deux composants formant le système TA. Avec l’excellente stabilité du système, il semble difficile qu’une petite molécule puisse s’immiscer entre ceci. « Si nous y parvenons, nous aurons mis en évidence une nouvelle approche pour traiter la tuberculose ainsi que d’autres maladies infectueuses », ajoute Matthias Wilmanns.

Ce projet résulte d’une collaboration entre les chercheurs du groupe Wilmanns de l’ EMBL à Hambourg et le groupe Neyrolles à l’IPBS, CNRS/Université de Toulouse et implique le groupe Carvalho du Francis Crick Institute à London. L’équipe de recherche a initié un partenariat pour travailler à la découverte d’un médicament contre la tuberculose basé sur ce travail par le biais de la filiale d’EMBL spécialisée dans le transfert de technologie, EMBLEM.

Source de l’article :
Freire, D.M., Gutierrez, C., et al. An NAD+ phosphorylase toxin triggers Mycobacterium tuberculosis cell death. Molecular Cell, publié en ligne le 18 février 2019. DOI: 10.1016/j.molcel.2019.01.028

Pour de plus amples renseignements, veuillez contacter :
Patrick Müller
EMBL Press Officer
pressoffice@embl.de

** Dutch **

Zelfmoord-systeem tuberculosebacterie biedt mogelijk sleutel tot behandeling

Tuberculose (TB) is een van de top-tien doodsoorzaken wereldwijd. In 2017 kregen 10 miljoen mensen deze infectieziekte – 1,3 miljoen overleefden dat niet. Het DNA van de bacterie die TB veroorzaakt bevat een speciaal gif-antigif systeem met een spectaculair effect: wanneer het gif wordt geactiveerd, sterven alle bacteriële cellen en stopt de infectie.

Een internationaal onderzoeksteam dat mede werd gecoördineerd door Annabel Parret, onderzoeker in de Wilmanns group van EMBL in Hamburg, onderzocht deze veelbelovende eigenschap voor therapeutische doeleinden. De wetenschappers publiceren nu de eerste hoge-resolutie beelden van het gif-antigif systeem in het vakblad Molecular Cell.

Deze illustratie toont delen van de Mycobacterium tuberculosis bacterie. De Pac-Man symboliseert het gif, dat in de afwezigheid van het antigif NAD+ 'opeet', waardoor de cel sterft. In de bacterie op de achtergrond, blokkeert het antigif de mond van de Pac-man, waardoor de afbraak van NAD+ verhinderd wordt en de cel normaal kan groeien. Illustratie: Beata Edyta Mierzwa.

De bacterie die tuberculose in mensen veroorzaakt heet Mycobacterium tuberculosis. Het DNA van deze bacterie bevat 80 zogenaamde gif-antigif systemen: nauw gekoppelde genen die zowel een giftig eiwit als het gif-neutraliserende antigif coderen.

Wanneer TB bacteriën normaal groeien, neutraliseert het antigif de activiteit van het gif. Maar als de bacteriën onder stress staan omdat er bijvoorbeeld te weinig voedingstoffen zijn, breken speciale enzymen de antigif-moleculen af. Dit activeert de gif-eiwitten in de cel, waardoor de celgroei vertraagt, zodat de bacteriën de stressvolle omstandigheden kunnen overleven.

Eén specifiek gif-antigif systeem heeft een veel drastischer effect: in afwezigheid van het antigif, sterven alle bacteriële cellen. Dit heeft uiteraard potentie voor mogelijke medicijnen tegen TB. De onderzoekers van EMBL Hamburg, IPBS CNRS/Université de Toulouse, en het Crick Institute in London bestudeerden dit systeem daarom tot in detail.

‘We wilden de precieze structuur van het TA systeem zien, om het beter te begrijpen en zelfs te manipuleren’, zegt Annabel Parret. ‘Voordat we de structuur kenden was het eigenlijk alsof we blind werkten.’

Die hoge-resolutie structuur werd in acht maanden opgelost door doctoraatstudent Diana Freire, en onthulde een grote en stevige dubbele-donut vorm. ‘Het gif-antigif systeem is superstabiel’, vertelt Parret. De structuur lijkt op die van de giftige eiwitten die cholera en difterie veroorzaken: ziektes die nog geen honderd jaar geleden epidemieën met honderdduizenden doden veroorzaakten.

Deze informatie over de structuur gebruikte het onderzoeksteam om de biochemie achter het systeem te bestuderen: een uitdagend gedeelte van het project. Door een multidisciplinaire aanpak ontdekten ze uiteindelijk de details van het werkingsmechanisme achter het sterven van alle cellen. Wanneer de structuur van het gif-antigif systeem verstoord raakt, wordt het gif geactiveerd en breekt dan een essentieel metaboliet genaamd NAD+ af. Dit ‘zelfmoordysteem’ leidt tot de dood van alle bacteriële cellen. Waarom TB bacteriën zo’n zelfmoordsysteem hebben is nog onduidelijk - maar er is geen twijfel dat dit potentie biedt voor de ontwikkeling van nieuwe therapieën om TB te bestrijden.

‘Het is onze collega’s in Toulouse al gelukt om de levensduur van muizen met TB te verlengen door het gif op een gecontroleerde manier te activeren’ vertelt Parret. ‘Als we moleculen kunnen vinden die het TA systeem verstoren in tuberculose patiënten – en zo dus de celdood van TB bacteriën activeren – zou dat het perfecte medicijn zijn.’

Het team gaat nu duizenden kleine moleculen screenen op die mogelijkheid om de structuur van het systeem te verstoren. Gezien de superstabiele structuur is dat een grote uitdaging. Parret: ‘Maar als we hierin slagen, zou dit een nieuwe manier kunnen zijn om TB en andere infectieziekten te behandelen.’

Dit project was een samenwerking tussen onderzoekers van de Wilmanns group van EMBL Hamburg en de Neyrolles group van het IPBS, CNRS/Université de Toulouse, en kwam tot stand met de hulp van de Carvalho group van het Francis Crick Institute in London. Het onderzoeksteam werkt nu verder aan mogelijke toepassingen met EMBL’s technology transfer arm EMBLEM.

Wetenschappelijk artikel:
Freire, D.M., Gutierrez, C., et al. An NAD+ phosphorylase toxin triggers Mycobacterium tuberculosis cell death. Molecular Cell, published online 18 February 2019. DOI: 10.1016/j.molcel.2019.01.028


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