Targeted intracellular delivery of therapeutic proteins remains a significant unmet challenge in biotechnology. A promising approach is to leverage the intrinsic capabilities of bacterial toxins like diphtheria toxin (DT) to deliver a potent cytotoxic enzyme into cells with an associated membrane translocation moiety. Despite showing promising clinical efficacy, widespread deployment of DT-based therapeutics is complicated by the prevalence of pre-existing antibodies in the general population arising from childhood DT toxoid vaccinations, which impact the exposure, efficacy, and safety of these potent molecules. Here, we describe the discovery and characterization of a distant DT homolog from the ancient reptile pathogen Austwickia chelonae that we have dubbed chelona toxin (ACT). We show that ACT is comparable to DT structure and function in all respects except that it is not recognized by pre-existing anti-DT antibodies circulating in human sera. Furthermore, we demonstrate that ACT delivers heterologous therapeutic cargos into target cells more efficiently than DT. Our findings highlight ACT as a promising new chassis for building next-generation immunotoxins and targeted delivery platforms with improved pharmacokinetic and pharmacodynamic properties.

ABSTRACT Targeted intracellular delivery of therapeutic peptides and proteins remains an important but unresolved goal in biotechnology. A promising approach is to engineer bacterial exotoxins that deliver their cytotoxic enzymes into cells and can be engineered to target cancer cells as is the case with immunotoxins. The well-studied diphtheria toxin translocation domain is ideally suited as a delivery platform as it has been shown to be capable of delivering a wide range of macromolecular cargo. Widespread deployment of DT-based therapeutics in humans, however, is complicated by the prevalence of pre-existing anti-DT antibodies from childhood vaccinations that reduce the exposure, efficacy and safety of this important class of protein drugs. Thus, there is a great need for delivery platforms with no pre-existing immunity in humans. Here, we describe the discovery and characterization of a distant diphtheria toxin homolog from the ancient reptile pathogen Austwickia chelonae that we have named Chelona Toxin (CT). We show that CT is comparable to DT structure and function in all respects except that it is not recognized by pre-existing anti-DT antibodies present in human sera. Moreover, we demonstrate that the CT translocase is superior to the DT translocase at delivering therapeutic protein cargo into target cells. These findings highlight CT as a potentially class-enabling new chassis for developing safer and more efficacious immunotoxins and intracellular protein delivery platforms for cancer therapy.

Lysosomal storage diseases are a group of over 70 inherited genetic diseases caused by a defect or deficiency in a lysosomal protein. Enzyme replacement therapy, in which a functional copy of the defective enzyme is injected either systemically or directly into the brain of affected individuals, has proven to be an effective strategy for treating certain lysosomal storage diseases; however, the inefficient uptake of recombinant enzymes into cells and tissues via the low-affinity mannose-6-phosphate receptor prohibits broader utility of replacement therapy. Here, to improve the efficiency and efficacy of lysosomal enzyme uptake, we exploited the strategy used by diphtheria toxin to enter into the endo-lysosomal network of cells by creating a chimera between the receptor-binding fragment of diphtheria toxin and the lysosomal hydrolase TPP1. We show that the targeted TPP1 chimera binds with high affinity to target cells and is delivered into lysosomes with much greater efficiency than TPP1 alone. Further, we demonstrate efficient and durable uptake of the chimera in vivo following intracerebroventricular injection in mice lacking TPP1. Targeting the highly efficient diphtheria toxin internalization pathway represents a novel approach for improving the efficacy and utility of enzyme replacement therapy for treating lysosomal storage diseases.

Abstract Diphtheria toxin (DT) is the archetype of bacterial exotoxins implicated in human diseases and has played a central role in defining the field of toxinology since its discovery in 1888. Despite being one of the most extensively characterized bacterial toxins, the origins and molecular evolution of DT host specialization remain unknown. Here, we determined high-resolution structures of two recently discovered distant homologs of DT. These DT-like proteins from non-human associated Streptomyces albireticuli (17% identity to DT) and Seinonella peptonophila (20% identity to DT) display remarkable structural similarity to DT enabling a comparative investigation into DT’s unique toxicity toward mammalian cells. We find that the individual domains of DT-like toxins retain two critical features of DT’s activity: full catalytic function and ability to translocate across mammalian cell membranes. However, we show that receptor-binding, pH-dependent pore-formation and proteolytic release of the cytotoxic enzyme into the cytosol are not optimized for human cell physiology and thus unable to efficiently deliver the cytotoxic cargo into human hosts. Our work provides structural insights into DT’s evolutionary history, and implies key transitions required for the emergence of human-specificity of a major bacterial exotoxin with an important history in human disease.