Biology and Engineering of Botulinum Neurotoxins.

点击翻译按钮获取中文摘要

Botulinum neurotoxins are a family of seven bacterial toxins (BoNT/A-­G). Members of the BoNT  family  have  been  widely  utilized  for  treating  a  growing  list  of  medical  conditions.  During  our  previous  funding  cycle,  we  carried  out  the  first  comprehensive  investigation  of  the  effect  of  BoNTs on survival of neurons. We identified two of the toxins, BoNT/C and BoNT/E, that induce  death  of  neurons.  We  further  established  that  neuronal  death  is  due  to  blockage  of  a  plasma  membrane  recycling  process  by  BoNT/C  and  E.  These  findings  open  a  new  line  of  inquiry  on  toxin biology and reveal a novel membrane recycling process essential for neuron survival.   Following these findings, we further found that amyloid precursor protein (APP) is a major cargo  of the membrane recycling process blocked by BoNTs. Here we propose mechanistic studies to  elucidate  this  essential  membrane  recycling  process  at  the  molecular  level.  We  will  also  utilize  BoNTs  as  a  novel  tool  to  address  key  questions  about  APP  recycling/processing  and  explore  the  potential  role  of  APP  in  BoNT  action  at  nerve  terminals.  Finally,  our  current  studies  established  that  SNAP-­25,  which  is  cleaved  by  BoNT/A,  C,  and  E,  is  essential  for  neuron  survival  and  APP  recycling.  This  finding  raised  a  significant  safety  concern  regarding  long-­term  use of the major therapeutic toxin BoNT/A, which prompted us to develop alternative therapeutic  toxins through protein engineering.   Our  proposed  studies  will  provide  a  mechanistic  understanding  of  the  effect  of  BoNTs  on  survival  of  neurons  and  may  yield  novel  insights  into  APP  biology.  They  will  also  address  concerns  about  the  long-­term  safety  of  current  therapeutic  toxins  and  aim  to  develop  a  new  generation of therapeutic toxins with improved efficacy and safety in humans.