Nature：解开了困扰15年的致癌肠道毒素之谜

一项新的研究揭示了一种常见肠道细菌破坏结肠的隐藏机制，解开了困扰科学家多年的谜团。

早在2009年一项里程碑式的研究中，研究人员就已发现常见的肠道细菌脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）能够促进结肠肿瘤的生长，进而可能导致结直肠癌。这种细菌通过释放一种毒素来损伤结肠内壁。然而，科学家们此前并不完全了解这种毒素是如何附着在结肠细胞上的。

现在，由约翰·霍普金斯大学金梅尔癌症中心、彭博-金梅尔癌症免疫疗法研究所和约翰·霍普金斯大学医学院的科学家领导的研究团队发现了缺失的一步。他们发表在《自然》杂志上的研究发现，脆弱拟杆菌毒素（BFT）必须先与一种名为claudin-4的宿主受体结合，才能对细胞造成伤害。该研究获得了美国国立卫生研究院的部分资助。

“我们多年来多次尝试寻找这种受体，所以这是一个令人振奋的时刻，”资深作者、约翰·霍普金斯大学彭博-金梅尔癌症免疫疗法教授兼医学教授 Cynthia Sears博士说。“了解细菌毒素的作用机制，可以为检测和治疗相关疾病（包括腹泻、结直肠癌和血液感染）开辟新的途径。”

这一发现已经帮助研究人员开发出一种分子诱饵，该诱饵在动物实验中阻断了毒素的有害作用，这表明了一种可能预防脆弱拟杆菌对结肠造成损害的方法。

长达数十年的研究揭示了 Claudin-4 受体

脆弱拟杆菌存在于高达20%的健康人群中，并且能有效诱发结肠炎症和肿瘤形成。西尔斯实验室早期的研究表明，脆弱拟杆菌通过切割E-钙黏蛋白（一种有助于维持结肠保护屏障的蛋白质）而导致慢性肠道炎症。

在之前发表于《自然医学》杂志的一项研究中，Sears及其同事证实BFT活性会促进结肠肿瘤的发生发展。然而，该毒素似乎并非直接与E-钙黏蛋白结合，这表明可能存在其他机制。

为了揭示这一机制，西尔斯实验室的医学博士/哲学博士候选人麦克斯韦·怀特与哈佛医学院马修·沃尔德实验室合作，领导了一项全基因组CRISPR筛选。通过系统性地抑制结肠上皮细胞中的基因，研究人员发现claudin-4是关键环节。当claudin-4被移除后，BFT无法再与细胞结合，而E-钙黏蛋白则不受影响。

“我们花了一段时间才让检测方法运转起来并验证其有效性，但一旦我们能够进行筛选，claudin-4 就成为了一个清晰、明确的首选目标，那真是令人兴奋的时刻。”

意外的毒素结合机制得到证实

Sears表示，这一受体的发现出乎意料，因为许多研究人员原本预期该受体是一种信号蛋白，例如G蛋白偶联受体，但claudin-4并非如此。在回顾现有研究后，该团队未能找到其他以这种方式发挥作用的毒素。大多数蛋白酶直接与靶标结合，而不是先与单独的受体结合。

为了证实毒素与受体之间的物理相互作用，约翰·霍普金斯大学的研究团队与巴塞罗那分子生物学研究所的结构生物学家F. Xavier Gomis-Rüth和Ulrich Eckhard合作。通过生物物理分析，White和巴塞罗那的研究人员发现，BFT和claudin-4在试管中形成牢固的1:1复合物，这首次直接证实了二者之间的结合作用。

随后，研究人员与哈佛医学院Min Dong的实验室合作，将研究扩展到活体系统。该团队与闵东实验室的Kang Wang及其同事合作，利用小鼠模型研究了这种毒素在肠道复杂环境中的行为。

诱饵蛋白可阻断毒素对小鼠的损害

研究团队构建了一种含有claudin-4序列的可溶性蛋白，作为claudin-4的诱饵蛋白，以阻止毒素与结肠细胞结合。BFT与这种诱饵蛋白而非真正的受体结合，该策略成功保护小鼠免受毒素相关的损伤。

“这种方法可以进一步改进，使用具有更好药理特性的小分子或其他生物制剂，”目前，该团队正在探索哪些分子方法最有可能成功阻断这种毒素。

科学家表示，仍有一个重要问题尚未解答。尽管他们已经确定了受体并证实了结合过程，但尚未获得BFT与claudin-4相互作用的精确实验结构。目前的AI建模系统，例如AlphaFold，也无法完全解析这种相互作用。

参考文献

A pro-carcinogenic bacterial toxin binds claudin-4 to cleave E-cadherin