Molecular mechanism for retrograde transport of tetanus neurotoxin

Boston Children'S Hospital, Boston MA

Investigators

Linked publications, trials & patents

Abstract

Tetanus  is  caused  by  tetanus  neurotoxin  (TeNT),  which  initially  enters  motor  neurons  and  then  traffics  retrogradely  into  the  spinal  cord.  It  is  then  released  from  motor  neurons,  re-­enters  inhibitory  neurons  and  blocks  inhibitory  input  onto  motor  neurons,  causing  involuntary  muscle  contraction. This is in a sharp contrast to botulinum neurotoxins (BoNTs), which act within motor  neurons  to  cause  the  disease  botulism.  TeNT  and  BoNTs  share  the  same  overall  structure/function,  yet  their  distinct  trafficking  pathways  in  neurons  produce  two  different  diseases.  While  the  pathology  is  well  established,  the  molecular  mechanism  underlying  the  retrograde transport of TeNT remains elusive.     The  classic  view  is  that  TeNT  and  BoNTs  recognize  distinct  receptors,  and  TeNT?s  unique  receptor  mediates  its  retrograde  transport.  Recent  evidence  and  our  preliminary  studies  demonstrate that the cell-­surface receptor is not involved in the sorting process, and the region  beyond the receptor-­binding domain of TeNT is required for sorting. Indeed, the crystal structure  of  TeNT  reveals  that  its  protease  domain,  translocation  domain,  and  receptor-­binding  domain  form unique interfaces at endosomal pH levels. Thus, we propose a major revision of the classic  view:  specific  interactions  among  different  domains  of  TeNT  are  critical  for  its  efficient  sorting  into  the  retrograde  transport  pathway.  Here  we  will  test  our  hypothesis  by  designing  specific  mutations  that  disrupt  inter-­domain  interactions  in  TeNT  and  evaluate  the  activity  of  these  mutant toxins on mouse models in vivo. We also seek to identify the key host sorting factors that  mediate TeNT retrograde sorting through unbiased glycan array screens and affinity purification.     Successful  completion  of  our  aims  will  establish  a  new  paradigm  in  understanding  TeNT  retrograde  transport,  and  may  provide  key  insights  into  endosomal  sorting  and  retrograde  transport  mechanisms  in  general.  Such  an  understanding  will  also  lay  the  foundation  for  developing effective toxin-­based tools to deliver therapeutics into the central nervous system.