We demonstrate experimentally that anthrax toxin complexes rupture artificial lipid bilayer membranes when isolated from the blood of infected animals. When the solution pH is temporally acidified to mimic that process in endosomes, recombinant anthrax toxin forms an irreversibly bound complex, which also destabilizes membranes. The results suggest an alternative mechanism for the translocation of anthrax toxin into the cytoplasm.
REFERENCES
1.
K.
Bradley
, J.
Mogridge
, M.
Mourez
, R.
Collier
, and J.
Young
, Nature (London)
414
, 225
(2001
).2.
H.
Scobie
, G.
Rainey
, K.
Bradley
, and J.
Young
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
100
, 5170
(2003
).3.
M.
Martchenko
, S.-Y.
Jeong
, and S. N.
Cohen
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
, 15583
(2010
).4.
S.
Molloy
, P.
Bresnahan
, S.
Leppla
, K.
Klimpel
, and G.
Thomas
, J. Biol. Chem.
267
, 16396
(1992
).5.
K. R.
Klimpel
, S. S.
Molloy
, G.
Thomas
, and S. H.
Leppla
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
89
, 10277
(1992
).6.
C.
Petosa
, R. J.
Collier
, K. R.
Klimpel
, S. H.
Leppla
, and R. C.
Liddington
, Nature (London)
385
, 833
(1997
).7.
J. L.
Elliott
, J.
Mogridge
, and R. J.
Collier
, Biochemistry
39
, 6706
(2000
).8.
L.
Abrami
, S. H.
Liu
, P.
Cosson
, S.
Leppla
, and F.
van der Goot
, J. Cell Biol.
160
, 321
(2003
).9.
J.
Gruenberg
, Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
2
, 721
(2001
).10.
L.
Abrami
, M.
Lindsay
, R. G.
Parton
, S. H.
Leppla
, and F. G.
van der Goot
, J. Cell Biol.
166
, 645
(2004
).11.
A. F.
Kintzer
, H. J.
Sterling
, I. I.
Tang
, E. R.
Williams
, and B. A.
Krantz
, PLoS ONE
5
, e13888
(2010
).12.
A. F.
Kintzer
, H. J.
Sterling
, I. I.
Tang
, A.
Abdul-Gader
, A. J.
Miles
, B. A.
Wallace
, E. R.
Williams
, and B. A.
Krantz
, J. Mol. Biol.
399
, 741
(2010
).13.
G. K.
Feld
, K. L.
Thoren
, A. F.
Kintzer
, H. J.
Sterling
, I. I.
Tang
, S. G.
Greenberg
, E. R.
Williams
, and B. A.
Krantz
, Nat. Struct. Mol. Biol.
17
, 1383
(2010
).14.
N. S.
Duesbery
, Science
280
, 734
(1998
).15.
16.
S. H.
Leppla
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
79
, 3162
(1982
).17.
F. J.
Maldonado-Arocho
, J. A.
Fulcher
, B.
Lee
, and K. A.
Bradley
, Mol. Microbiol.
61
, 324
(2006
).18.
C.
Guidi-Rontani
, M.
Weber-Levy
, M.
Mock
, and V.
Cabiaux
, Cell. Microbiol.
2
, 259
(2000
).19.
J. A. T.
Young
and R. J.
Collier
, Annu. Rev. Biochem.
76
, 243
(2007
).20.
G. K.
Feld
, M. J.
Brown
, and B. A.
Krantz
, Protein Sci.
21
, 606
(2012
).21.
R.
Blaustein
and A.
Finkelstein
, J. Gen. Physiol.
96
, 905
(1990
).22.
T. L.
Nguyen
, J. Biomol. Struct. Dyn.
22
, 253
(2004
).23.
B. J.
Nablo
, K. M.
Halverson
, J. W. F.
Robertson
, T. L.
Nguyen
, R. G.
Panchal
, R.
Gussio
, S.
Bavari
, O. V.
Krasilnikov
, and J. J.
Kasianowicz
, Biophys. J.
95
, 1157
(2008
).24.
K. M.
Halverson
, R. G.
Panchal
, T. L.
Nguyen
, R.
Gussio
, S. F.
Little
, M.
Misakian
, S.
Bavari
, and J. J.
Kasianowicz
, J. Biol. Chem.
280
, 34056
(2005
).25.
R. G.
Panchal
, K. M.
Halverson
, W.
Ribot
, D.
Lane
, T.
Kenny
, T. G.
Abshire
, J. W.
Ezzell
, T. A.
Hoover
, B.
Powell
, S.
Little
, J. J.
Kasianowicz
, and S.
Bavari
, J. Biol. Chem.
280
, 10834
(2005
).26.
T.
Neumeyer
, F.
Tonello
, F.
Dal Molin
, B.
Schiffler
, and R.
Benz
, J. Biol. Chem.
281
, 32335
(2006
).27.
T.
Neumeyer
, F.
Tonello
, F.
Dal Molin
, B.
Schiffler
, F.
Orlik
, and R.
Benz
, Biochemistry
45
, 3060
(2006
).28.
B.
Krantz
, A.
Finkelstein
, and R. J.
Collier
, J. Mol. Biol.
355
, 968
(2006
).29.
B.
Krantz
, A.
Trivedi
, K.
Cunningham
, K.
Christensen
, and R. J.
Collier
, J. Mol. Biol.
344
, 739
(2004
).30.
B. A.
Krantz
, R. A.
Melnyk
, S.
Zhang
, S. J.
Juris
, D. B.
Lacy
, Z.
Wu
, A.
Finkelstein
, and R. J.
Collier
, Science
309
, 777
(2005
).31.
S.
Zhang
, A.
Finkelstein
, and R. J.
Collier
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
101
, 16756
(2004
).32.
S.
Zhang
, E.
Udho
, Z.
Wu
, R.
Collier
, and A.
Finkelstein
, Biophys. J.
87
, 3842
(2004
).33.
F.-U.
Hartl
, N.
Pfanner
, D. W.
Nicholson
, and W.
Neupert
, Biochim. Biophys. Acta
988
, 1
(1989
).34.
E.
Wagner
, C.
Plank
, K.
Zatloukal
, M.
Cotten
, and M. L.
Birnstiel
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
89
, 7934
(1992
).35.
H.-C.
Schneider
, J.
Berthold
, M. F.
Bauer
, K.
Dietmeier
, B.
Guiard
, M.
Brunner
, and W.
Neupert
, Nature (London)
371
, 768
(1994
).36.
J. J.
Kasianowicz
, E.
Brandin
, D.
Branton
, and D.
Deamer
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
93
, 13770
(1996
).37.
W.
Neupert
, Annu. Rev. Biochem.
66
, 863
(1997
).38.
K.
Hill
, K.
Model
, M.
Ryan
, K.
Dietmeier
, F.
Martin
, R.
Wagner
, and N.
Pfanner
, Nature (London)
395
, 516
(1998
).39.
D.
Lubensky
and D.
Nelson
, Biophys. J.
77
, 1824
(1999
).40.
M.
Muthukumar
, J. Chem. Phys.
111
, 10371
(1999
).41.
P. G. P.
de Gennes
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
96
, 7262
(1999
).42.
S. C.
Hinnah
, R.
Wagner
, N.
Sveshnikova
, R.
Harrer
, and J.
Soll
, Biophys. J.
83
, 899
(2002
).43.
M.
Muthukumar
, J. Chem. Phys.
118
, 5174
(2003
).44.
E.
DiMarzio
and J.
Kasianowicz
, J. Chem. Phys.
119
, 6378
(2003
).45.
S. M.
Grigoriev
, C.
Muro
, L. M.
Dejean
, M. L.
Campo
, S.
Martinez-Caballero
, and K. W.
Kinnally
, Int. Rev. Cytol.
238
, 227
(2004
).46.
W.
Neupert
and J. M.
Herrmann
, Annu. Rev. Biochem.
76
, 723
(2007
).47.
S.
Martinez-Caballero
, P. M. V.
Peixoto
, K. W.
Kinnally
, and M. L.
Campo
, Anal. Biochem.
362
, 76
(2007
).48.
D.
Mokranjac
and W.
Neupert
, Biochim. Biophys. Acta
1777
, 758
(2008
).49.
J. J.
Kasianowicz
, J. W. F.
Robertson
, E. R.
Chan
, J. E.
Reiner
, and V. M.
Stanford
, Annu. Rev. Anal. Chem.
1
, 737
(2008
).50.
C. T. A.
Wong
and M.
Muthukumar
, J. Chem. Phys.
128
, 154903
(2008
).51.
D.
Mokranjac
and W.
Neupert
, Biochim. Biophys. Acta
1793
, 33
(2009
).52.
N.
Wagener
, M.
Ackermann
, S.
Funes
, and W.
Neupert
, Mol. Cell
44
, 191
(2011
).53.
54.
J. W.
Ezzell
, T. G.
Abshire
, R.
Panchal
, D.
Chabot
, S.
Bavari
, E. K.
Leffel
, B.
Purcell
, A. M.
Friedlander
, and W. J.
Ribot
, Infect. Immun.
77
, 749
(2009
).55.
W. J.
Ribot
, R. G.
Panchal
, K. C.
Brittingham
, G.
Ruthel
, T. A.
Kenny
, D.
Lane
, B.
Curry
, T. A.
Hoover
, A. M.
Friedlander
, and S.
Bavari
, Infect. Immun.
74
, 5029
(2006
).56.
D.
Fritz
, N.
Jaax
, W.
Lawrence
, K.
Davis
, M.
Pitt
, J.
Ezzell
, and A.
Friedlander
, Lab. Invest.
73
, 691
(1995
).57.
B.
Ivins
, S.
Welkos
, G.
Knudson
, and S.
Little
, Infect. Immun.
58
, 303
(1990
).58.
M.
Pitt
, S.
Little
, B.
Ivins
, P.
Fellows
, J.
Barth
, J.
Hewetson
, P.
Gibbs
, M.
Dertzbaugh
, and A.
Friedlander
, Vaccine
19
, 4768
(2001
).59.
G.
Zaucha
, M.
Pitt
, J.
Estep
, B.
Ivins
, and A.
Friedlander
, Arch. Pathol. Lab. Med.
122
, 982
(1998
).60.
J. W.
Ezzell
and T. G.
Abshire
, J. Gen. Microbiol.
138
, 543
(1992
).61.
D.
Chabot
, A.
Scorpio
, S.
Tobery
, S.
Little
, S.
Norris
, and A.
Friedlander
, Vaccine
23
, 43
(2004
).62.
K.
Kimura
and Y.
Itoh
, Appl. Environ. Microbiol.
69
, 2491
(2003
).63.
M.
Montal
and P.
Mueller
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
69
, 3561
(1972
).64.
K.
Dickmann
, F.
Demming
, and J.
Jersch
, Rev. Sci. Instrum.
67
, 845
(1996
).65.
M.
Iwami
, Y.
Uehara
, and S.
Ushioda
, Rev. Sci. Instrum.
69
, 4010
(1998
).66.
K.
Funakoshi
, H.
Suzuki
, and S.
Takeuchi
, Anal. Chem.
78
, 8169
(2006
).67.
N.
Malmstadt
, M. A.
Nash
, R. F.
Purnell
, and J. J.
Schmidt
, Nano Lett.
6
, 1961
(2006
).68.
M.
Winterhalter
and W.
Helfrich
, Phys. Rev. A
36
, 5874
(1987
).69.
K.
Klotz
, M.
Winterhalter
, and R.
Benz
, Biochim. Biophys. Acta
1147
, 161
(1993
).70.
C.
Wilhelm
, M.
Winterhalter
, and U.
Zimmermann
, Biophys. J.
64
, 121
(1993
).71.
M.
Winterhalter
, K. H.
Klotz
, R.
Benz
, and W. M.
Arnold
, IEEE Trans. Ind. Appl.
32
, 125
(1996
).72.
J. C.
Milne
and R. J.
Collier
, Mol. Microbiol.
10
, 647
(1993
).73.
P.
Merzlyak
, M.
Capistrano
, A.
Valeva
, J.
Kasianowicz
, and O.
Krasilnikov
, Biophys. J.
89
, 3059
(2005
).74.
I. G.
Ganley
, K.
Carroll
, L.
Bittova
, and S.
Pfeffer
, Mol. Biol. Cell
15
, 5420
(2004
).75.
D.
Basilio
, P. K.
Kienker
, S. W.
Briggs
, and A.
Finkelstein
, J. Gen. Physiol.
137
, 521
(2011
).76.
A.
Pannifer
, T.
Wong
, R.
Schwarzenbacher
, M.
Renatus
, C.
Petosa
, J.
Bienkowska
, D.
Lacy
, R. J.
Collier
, S.
Park
, S.
Leppla
, P.
Hanna
, and R.
Liddington
, Nature (London)
414
, 229
(2001
).77.
M.
Mourez
, R. S.
Kane
, J.
Mogridge
, S.
Metallo
, P.
Deschatelets
, B. R.
Sellman
, G. M.
Whitesides
, and R. J.
Collier
, Nat. Biotechnol.
19
, 958
(2001
).78.
P.
Rai
, C.
Padala
, V.
Poon
, A.
Saraph
, S.
Basha
, S.
Kate
, K.
Tao
, J.
Mogridge
, and R. S.
Kane
, Nat. Biotechnol.
24
, 582
(2006
).79.
T.
Ambjornsson
, S.
Apell
, Z.
Konkoli
, E.
DiMarzio
, and J.
Kasianowicz
, J. Chem. Phys.
117
, 4063
(2002
).80.
A.
Fischer
, M. A.
Holden
, B. L.
Pentelute
, and R. J.
Collier
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
, 16577
(2011
).81.
H.
Berg
and E.
Purcell
, Biophys. J.
20
, 193
(1977
).82.
R. J.
Collier
, Mol. Aspects Med.
30
, 413
(2009
).83.
D.
Basilio
, S. J.
Juris
, R. J.
Collier
, and A.
Finkelstein
, J. Gen. Physiol.
133
, 307
(2009
).84.
B. E.
Janowiak
, A.
Fischer
, and R. J.
Collier
, J. Biol. Chem.
285
, 8130
(2010
).85.
I.
Zornetta
, L.
Brandi
, B.
Janowiak
, F.
Dal Molin
, F.
Tonello
, R. J.
Collier
, and C.
Montecucco
, Cell. Microbiol.
12
, 1435
(2010
).86.
B. L.
Pentelute
, O.
Sharma
, and R. J.
Collier
, Angew. Chem., Int. Ed.
50
, 2294
(2011
).87.
B. L.
Pentelute
, A. P.
Barker
, B. E.
Janowiak
, S. B. H.
Kent
, and R. J.
Collier
, ACS Chem. Biol.
5
, 359
(2010
).88.
W.
Shoop
, Y.
Xiong
, J.
Wiltsie
, A.
Woods
, J.
Guo
, J.
Pivnichny
, T.
Felcetto
, B.
Michael
, A.
Bansal
, R.
Cummings
, B.
Cunningham
, A.
Friedlander
, C.
Douglas
, S.
Patel
, D.
Wisniewski
, G.
Scapin
, S.
Salowe
, D.
Zaller
, K.
Chapman
, E.
Scolnick
, D.
Schmatz
, K.
Bartizal
, M.
MacCoss
, and J.
Hermes
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
, 7958
(2005
).89.
L. D.
Jennings-Antipov
, L.
Song
, and R. J.
Collier
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
, 1868
(2011
).90.
R.
Benz
, F.
Beckers
, and U.
Zimmermann
, J. Membr. Biol.
48
, 181
(1979
).91.
I. G.
Abidor
, V. B.
Arakelyan
, L. V.
Chernomordik
, Y. A.
Chizmadzhev
, V. F.
Pastushenko
, and M. P.
Tarasevich
, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem.
104
, 37
(1979
).92.
L. V.
Chernomordik
and I. G.
Abidor
, Bioelectrochem. Bioenerg.
7
, 617
(1980
).93.
I. G.
Abidor
, L. V.
Chernomordik
, and S. I.
Sukharev
, Bioelectrochem. Bioenerg.
9
, 141
(1982
).94.
L. V.
Chernomordik
, S. I.
Sukharev
, I. G.
Abidor
, and Y. A.
Chizmadzhev
, Biochim. Biophys. Acta
736
, 203
(1983
).95.
L.
Chernomordik
, M.
Kozlov
, G.
Melikyan
, I.
Abidor
, V.
Markin
, and Y.
Chizmadzhev
, Biochim. Biophys. Acta
812
, 643
(1985
).96.
C. C.
Scott
and J.
Gruenberg
, Bioessays
33
, 103
(2011
).97.
B.
Hille
, Ion Channels of Excitable Membranes
, 3rd ed. (Sunderland
, Massachusetts
, 2001
).98.
N.
Sonawane
, J.
Thiagarajah
, and A.
Verkman
, J. Biol. Chem.
277
, 5506
(2002
).99.
S.
Rybak
, F.
Lanni
, and R.
Murphy
, Biophys. J.
73
, 674
(1997
).100.
H.
Duclohier
and H.
Wróblewski
, J. Membr. Biol.
184
, 1
(2001
).101.
W. D.
Niles
, R. A.
Levis
, and F. S.
Cohen
, Biophys. J.
53
, 327
(1988
).102.
J.
Verdon
, M.
Falge
, E.
Maier
, H.
Bruhn
, M.
Steinert
, C.
Faber
, R.
Benz
, and Y.
HEchard
, Biophys. J.
97
, 1933
(2009
).103.
A. K.
Varkouhi
, M.
Scholte
, G.
Storm
, and H. J.
Haisma
, J. Controlled Release
151
, 220
(2011
).104.
C.
Moreira
, H.
Oliveira
, L. R.
Pires
, S.
Simões
, M. A.
Barbosa
, and A. P.
Pêgo
, Acta Biomater.
5
, 2995
(2009
).105.
T.
Wyman
, F.
Nicol
, O.
Zelphati
, P.
Scaria
, C.
Plank
, and F.
Szoka
, Biochemistry
36
, 3008
(1997
).106.
A.
Kichler
, C.
Leborgne
, J.
Marz
, O.
Danos
, and B.
Bechinger
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
100
, 1564
(2003
).107.
K.
Melikov
and L. V.
Chernomordik
, Cell. Mol. Life Sci.
62
, 2739
(2005
).108.
A.
Hatefi
, Z.
Megeed
, and H.
Ghandehari
, J. Gene Med.
8
, 468
(2006
).109.
A.
Kichler
, C.
Leborgne
, O.
Danos
, and B.
Bechinger
, J. Mol. Med.
85
, 191
(2006
).110.
S.-H.
Min
, D. C.
Lee
, M. J.
Lim
, H. S.
Park
, D. M.
Kim
, C. W.
Cho
, D. Y.
Yoon
, and Y. I.
Yeom
, J. Gene Med.
8
, 1425
(2006
).111.
B.
Lebleu
, H. M.
Moulton
, R.
Abes
, G. D.
Ivanova
, S.
Abes
, D. A.
Stein
, P. L.
Iversen
, A. A.
Arzumanov
, and M. J.
Gait
, Adv. Drug Delivery Rev.
60
, 517
(2008
).112.
R.
Abes
, A.
Arzumanov
, H.
Moulton
, S.
Abes
, G.
Ivanova
, M. J.
Gait
, P.
Iversen
, and B.
Lebleu
, J. Pept. Sci.
14
, 455
(2008
).113.
C.
Lin
and J. F. J.
Engbersen
, J. Controlled Release
132
, 267
(2008
).114.
O.
Boussif
, F.
Lezoualc'h
, M.
Zanta
, M. D.
Mergny
, D.
Scherman
, B.
Demeneix
, and J.
Behr
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
92
, 7297
(1995
).115.
E. J.
Kwon
, J. M.
Bergen
, and S. H.
Pun
, Bioconjugate Chem.
19
, 920
(2008
).116.
D. K.
Miller
, E.
Griffiths
, J.
Lenard
, and R. A.
Firestone
, J. Cell Biol.
97
, 1841
(1983
).117.
H.
Heerklotz
and J.
Seelig
, Biophys. J.
81
, 1547
(2001
).118.
M.
Zasloff
, Nature (London)
415
, 389
(2002
).119.
K.
Corin
, P.
Baaske
, D. B.
Ravel
, J.
Song
, E.
Brown
, X.
Wang
, C. J.
Wienken
, M.
Jerabek-Willemsen
, S.
Duhr
, Y.
Luo
, D.
Braun
, and S.
Zhang
, PLoS ONE
6
, e25067
(2011
).120.
B.
Legrand
, M.
Laurencin
, J.
Sarkis
, E.
Duval
, L.
Mouret
, J.-F.
Hubert
, M.
Collen
, V.
Vié
, C.
Zatylny-Gaudin
, J.
Henry
, M.
Baudy-Floc'h
, and A.
Bondon
, Biochim. Biophys. Acta
1808
, 106
(2011
).121.
B.
Bechinger
and K.
Lohner
, Biochim. Biophys. Acta
1758
, 1529
(2006
).122.
D.
Basilio
, L. D.
Jennings-Antipov
, K. S.
Jakes
, and A.
Finkelstein
, J. Gen. Physiol.
137
, 343
(2011
).123.
R.
Blaustein
and A.
Finkelstein
, J. Gen. Physiol.
96
, 943
(1990
).124.
D. L.
Robertson
, M. T.
Tippetts
, and S. H.
Leppla
, Gene
73
, 363
(1988
).125.
M. J.
Brown
, K. L.
Thoren
, and B. A.
Krantz
, J. Biol. Chem.
286
, 23189
(2011
).126.
D.
Morikis
, A. H.
Elcock
, P. A.
Jennings
, and J. A.
McCammon
, Protein Sci.
10
, 2363
(2001
).127.
A. J.
Mason
, C.
Gasnier
, A.
Kichler
, G.
Prevost
, D.
Aunis
, M. H.
Metz-Boutigue
, and B.
Bechinger
, Antimicrob. Agents Chemother.
50
, 3305
(2006
).128.
P.
Midoux
, A.
Kichler
, V.
Boutin
, J. C.
Maurizot
, and M.
Monsigny
, Bioconjugate Chem.
9
, 260
(1998
).129.
P.
Midoux
and M.
Monsigny
, Bioconjugate Chem.
10
, 406
(1999
).130.
F.
Orlik
, B.
Schiffler
, and R.
Benz
, Biophys. J.
88
, 1715
(2005
).2013
U.S. Government
You do not currently have access to this content.
