陶亮團隊揭秘超毒力艱難梭菌是如何導致疾病發生的。 西湖大學供圖
論文圖文摘要 西湖大學供圖
3月17日，西湖大學生命科學學院陶亮團隊與施一公團隊合作，在《細胞》在線發表題為《TFPI是超毒力二型分支艱難梭菌毒素B的結腸隱窩受體》的研究成果，首次揭示了超毒力分支艱難梭菌毒素B的腸道上皮受體——TFPI蛋白。這意味著，他們發現了艱難梭菌毒素B入侵人體的新“大門”。
艱難梭菌是一種厭氧的革蘭氏陽性細菌，因為分離培養比較困難，所以得名“艱難”。它存在于環境中，包括空氣、水、土壤、動物和人類的糞便中。人體腸道內也是一個它適合定居的場所。
艱難梭菌感染之所以如此嚴重，抗生素的濫用難辭其咎。當長期使用抗生素，破壞人體正常腸道菌群時，艱難梭菌就會乘虛而入，大量繁殖，引發偽膜性腸炎、腹瀉、腸穿孔等多種疾病癥狀，嚴重時會威脅生命。
此前，陶亮團隊已經發現了TcdB1、TcdB3、TcdB5重要的宿主細胞受體——FZD蛋白（注，FZD蛋白也是重要的WNT信號通路的受體）。可以簡單理解為，他們已破解了部分TcdB是如何通過“大門”進入腸道上皮細胞的。
但作為另一大“毒王”，“超毒力分支的艱難梭菌”專有表達毒素B的兩種變體（亞型）——TcdB2和TcdB4，均不識別FZD蛋白。
利用一種名為CRISPR/Cas9的基因敲除文庫篩選技術，陶亮團隊鎖定了一個名為組織因子途徑抑制因子（TFPI）的蛋白，認為這個存在于細胞表面的蛋白“涉案”可能性最大，很可能就是這兩種毒素B變體進入細胞的“另一扇門”。
為了驗證這一猜想，研究團隊設計并進行了各種不同類型的實驗。
關鍵實驗之一，敲除TFPI這扇“大門”，看TcdB4是否還能闖入細胞。
研究團隊構建了TFPIβ敲除的小鼠。隨后對小鼠進行腹腔注射TcdB4進行毒素挑戰實驗，發現有超過60%的純合型（TFPIβ?/?）小鼠存活了下來。“證明TFPI是TcdB4的關鍵受體，并且顯示了腎臟是全身系統感染下的主要受損器官。”陶亮說。
關鍵實驗二，從分子水平直接“看到“毒素和受體的結合。
陶亮團隊與施一公團隊的研究員李顏顏等開展合作，利用冷凍電鏡單顆粒三維重構技術，解析了分辨率為3.1Å的毒素—受體復合物（TcdB4-TFPI）的三維結構。
通過對比，研究團隊對艱難梭菌毒素B進入細胞的路徑進行了歸類：第一類以TcdB1/3/5為代表，從FZD這扇“大門”進入；第二類主要包含“超毒力分支”的TcdB2和TcdB4，選擇通過TFPI這扇“大門”進入。
關鍵實驗三，構建“TFPI誘餌”誘捕毒素，看能否保護細胞和實驗動物不受傷害。
研究團隊構建了一種“TFPI誘餌”——即含有TFPI部分關鍵區域的可溶性蛋白——來迷惑并誘捕毒素分子。結果發現，無論是在細胞水平還是小鼠模型中，這類“TFPI誘餌”都可以有效阻止超毒力分支艱難梭菌的毒素B的破壞，起到了顯著的保護作用。“這不僅進一步證實TFPI是超毒力艱難梭菌的TcdB在腸道上皮中的受體，更預示了可溶性TFPI作為中和蛋白在防治超毒力艱難梭菌感染中的潛在應用價值。”陶亮解釋說。
如前文所述，艱難梭菌的特性使其在抗生素治療時效果較差且復發嚴重。而基于受體的靶向開發，比如中和抗體，是一類路線不同的新策略，理論上說靶點更加精準，對人體和環境帶來的負面影響也更小。
這項研究對于揭示和理解艱難梭菌感染的致病機制，及梭菌大毒素的進化和工作方式方面有著重要科學意義，并且為超毒力分支菌株引起的艱難梭菌感染的預防和治療新方法的開發提供了重要的理論依據。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.02.010
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