Characterization of a Mutant Bacillus thuringiensis d-endotoxin with enhanced stability and toxicity / Caracterización de una delta endotoxina mutante de Bacillus thuringiensis con estabilidad y toxicidad aumentadas

The centrally located a-helix 5 of Bacillus thuringiensis d-endotoxins is critical for insect toxicity through ion-channel formation. We analyzed the role of the highly conserved residue Histidine 168 (H168) using molecular biology, electrophysiology and biophysical techniques. Toxin H168R was ~3-fold more toxic than the wild type (wt) protein whereas H168Q was 3 times less toxic against Manduca sexta. Spectroscopic analysis revealed that the H168Q and H168R mutations did not produce gross structural alterations, and that H168R (Tm= 59 °C) was more stable than H168Q (Tm= 57.5 °C) or than the wt (Tm= 56 °C) toxins. These three toxins had similar binding affinities for larval midgut vesicles (Kcom) suggesting that the differences in toxicity did not result from changes in initial receptor binding. Dissociation binding assays and voltage clamping analysis suggest that the reduced toxicity of the H168Q toxin may result from reduced insertion and/or ion channel formation. In contrast, the H168R toxin had a greater inhibition of the short circuit current than the wt toxin and an increased rate of irreversible binding (kobs), consistent with its lower LC50 value. Molecular modeling analysis suggested that both the H168Q and H168R toxins could form additional hydrogen bonds that could account for their greater thermal stability. In addition to this, it is likely that H168R has an extra positive charge exposed to the surface which could increase its rate of insertion into susceptible membranes.

La a-Hélice 5 del domino I de las d-endotoxinas de Bacillus thuringiensis, es crítica para la toxicidad de las toxinas contra insectos al participar en la formación de canales iónicos. La participación en la función tóxica del residuo Histidina 168 (H168) –el cual es altamente conservado– fue estudiada mediante técnicas de biología molecular, electrofisiología y biofísica. La toxina mutante H168R fue ~ 3 veces más tóxica que la toxina silvestre (ts) en Manduca sexta, mientras que H168Q fue 3 veces menos tóxica. Los análisis espectroscópicos indicaron que las mutaciones no producen alteraciones estructurales significativas y que la toxina H168R (Tm= 59 °C) es más estable que las toxinas H168Q (Tm= 57.5 °C) y wt (Tm= 56 °C). Las tres toxinas exhibieron uniones de afinidad similares (Kcom) en vesículas de intestino de larvas de insecto, indicando que las diferencias en la toxicidad no se deben a cambios en la unión inicial al receptor. Los ensayos de unión/disociación y fijación de voltaje mostraron que la reducción de la toxicidad de la toxina H168Q se puede atribuir a una disminución en la inserción y/o en la formación de canales iónicos. De otro lado, H168R mostró una inhibición a la corriente de corto circuito mayor que la ts y un aumento en unión irreversible (kobs), lo cual es consistente con un menor valor de CL50. La modelación molecular sugiere que H168Q y H168R forman puentes de hidrógeno adicionales, lo que les confiere mayor estabilidad térmica. Adicionalmente, es probable que H168R tenga una carga positiva extra expuesta en la superficie, lo cual aumentaría su tasa de inserción en membranas susceptibles.

Preferential protection of domains II and III of bacillus thuringiensis cry1Aa toxin by brush border membrane vesicles / Protección preferencial de los dominios II y III de la toxina cry1Aa de bacillus thuringiensis en vesículas de membrana de borde de cepillo

The surface exposed Leucine 371 on loop 2 of domain II, in Cry1Aa toxin, was mutated to Lysine to generate the trypsin-sensitive mutant, L371K. Upon trypsin digestion L371K is cleaved into approximately 37 and 26 kDa fragments. These are separable on SDS-PAGE, but remain as a single molecule of 65 kDa upon purification by liquid chromatography. The larger fragment is domain I and a portion of domain II (amino acid residues 1 to 371). The smaller 26-kDa polypeptide is the remainder of domain II and domain III (amino acids 372 to 609). When the mutant toxin was treated with high dose of M. sexta gut juice both fragments were degraded. However, when incubated with M. sexta BBMV, the 26 kDa fragment (domains II and III) was preferentially protected from gut juice proteases. As previously reported, wild type Cry1Aa toxin was also protected against degradation by gut juice proteases when incubated with M. sexta BBMV. On the contrary, when mouse BBMV was added to the reaction mixture neither Cry1Aa nor L371K toxins showed resistance to M. sexta gut juice proteases and were degraded. Since the whole Cry1Aa toxin and most of the domain II and domain III of L371K are protected from proteases in the presence of BBMV of the target insect, we suggest that the insertion of the toxin into the membrane is complex and involves all three domains.

La superficie de la toxina Cry1Aa, en el asa 2 del dominio II contiene expuesta la leucina 371, la cual fue modificada a lisina produciendo una mutante sensible a la tripsina, L371K. Esta mutante produce dos fragmentos de 37 y 26 kDa por acción de la tripsina que son separables por SDS-PAGE, pero que a la purificación por cromatografía líquida se mantienen como una sola molécula de 65 kDa. El fragmento grande contiene al dominio I y una parte del dominio II (aminoácidos 1 al 371). El polipéptido de 26 kDa contiene la parte restante del dominio II y dominio III (aminoácidos 372 al 609). Cuando la toxina mutante fue tratada con dosis altas de jugo intestinal de Manduca sexta, ambos fragmentos fueron degradados. Sin embargo, cuando fueron incubados en VMBC de M. sexta, el fragmento de 26 kDa fue protegido preferencialmente de las proteasas intestinales. Como se ha reportado, la toxina silvestre Cry1Aa también es protegida de la degradación de las proteasas cuando es incubada en VMBC de M. sexta. Sin embargo, cuando se adicionó VMBC de ratón a la mezcla de reacción, ni la toxina Cry1Aa ni la mutante L371K mostraron resistencia a las proteasas y fueron degradadas. Dado que la toxina completa de Cry1Aa y casi todo de los dominios II y III de L371K están protegidos de proteasas en presencia de VMBC del insecto, este estudio sugiere que la inserción de la toxina en la membrana involucra los tres dominios.

Exploration of receptor binding of Bacillus thuringiensis toxins

Wild type and mutant toxins of Bacillus thuringiensis delta-endotoxins were examined for their binding to midgut brush border membrane vesicles (BBMV). CryIAa, CryIAb, and CryIAc were examined for their binding to Gypsy moth (Lymantria dispar) BBMV. The binding of CryIAa and CryIAc was directly correlated with their toxicity, while CryIAb was observed to have lower binding than expected from its toxicity. The latter observation confirms the observation of Wolfersberger (1990). The "rule" of reciprocity of binding and toxicity is apparently obeyed by CryIAa and CryIAc, but broken by CryIAb on L. dispar. Alanine substitutions were made in several positions of the putative loops of CryIAa to test the hypothesis that the loops are intimately involved in binding to the receptor. The mutant toxins showed minor shifts in heterologous binding to Bombyx mori BBMV, but not enough to conclude that the residues chosen play critical roles in receptor binding.