抗艰难梭菌不“艰难”—解析外毒素B葡萄糖基转移酶结构域

责编 | 酶美

艰难梭菌感染（Clostridioides difficile infection ，CDI）多发生于使用抗生素治疗或其他疾病而引起其体内肠道菌群平衡失调的病人，是目前全球抗生素相关腹泻和肠胃炎相关死亡的主要原因，被美国疾病控制与预防中心 (Center for Disease Control and Prevention，CDC) 列为头号健康威胁 (urgent threat) 之一 【1】 。艰难梭菌感染主要是由艰难梭菌自身分泌的外毒素A 和B（TcdA和TcdB）引起的, 其中，仅TcdB毒素就能引发全部CDI疾病症状。所以，TcdB是研究和攻克艰难梭菌感染的重要目标和理想的药物靶点。目前，多种高毒性艰难梭菌菌株 （hypervirulent C. difficile strains）的出现及其在全球的传播给药物开发和临床治疗带来了巨大的挑战，这与当前COVID - 19大流行中出现的新病毒变异有着相似之处【2-4】。

加州大学欧文分校 (UC Irvine) 金榕生教授团队多年来一直致力于艰难梭菌毒素和肉毒杆菌毒素的研究。团队综合运用晶体学及冷冻电镜等方法解析了第一个TcdB完整的三维结构 (Nature Structural & Molecular Biology, 2019)以及TcdB与其人体细胞表面受体FZD2 和CSPG4的复合物结构 (Science , 2018 & Nature Communications, 2021)。以结构研究为基础，他们联合哈佛大学董民教授团队合作开展系统的相关生物学功能和动物疾病模型等研究，进一步阐明了TcdB毒素识别其受体的分子机制，进而为研发新型有效抗体来阻断TcdB受体结合、防止和治疗CDI感染奠定了重要基础 【5-7】。但是，作为分子量巨大的TcdB (~ 270kDa) 毒素，它包含四个不同的结构域: N端葡萄糖基转移酶结构域 (glucosyltransferase domain，GTD)，半胱氨酸蛋白酶结构域 (CPD)，递送和受体结合结构域 (DRBD)，以及C端组合重复寡肽结构域 (CROPs)。结合细胞表面受体只是毒素入侵人体细胞的第一步，随后，TcdB毒素会通过自身多个结构域协同作用将其“弹头”— 葡萄糖基转移酶结构域 (GTD) — 递送到细胞质内部并修饰攻击其底物分子GTPases。一旦TcdB毒素的GTD结构域被转运进入细胞内，它就会被我们的细胞屏蔽，抗体治疗将无法进行。因此，GTD结构域是艰难梭菌感染 (CDI) 治疗干预的一个重要分子靶点， 但其识别宿主底物的分子机制仍不为所知。

2021年10月22日，金榕生教授团队在Sciences Advances上发表了题为Structural basis for selective modification of Rho and Ras GTPases by Clostridioides difficile toxin B的研究论文，解析了外毒素B葡萄糖基转移酶结构域。

该研究首次报道了来自艰难梭菌经典菌株 （strain VPI10463）及一个有代表性的变种菌株（strain M68）的TcdB葡萄糖基转移酶结构域 (GTD) 与各自特异识别的底物GTPases （RhoA和R-Ras）的复合物晶体结构。同时联合董民教授团队合作开展相关功能研究，进一步阐明了经典形式的和变种TcdB如何以不同的方式优先识别它们特定的底物，并将其葡萄糖基化修饰从而达到阻断人类至关重要的信号分子Rho和R-Ras GTPase两大酶家族的生理功能。这一发现为开发药物来破坏毒素识别其底物从而保护病人Rho/Ras免遭葡萄糖基化修饰提供了新策略；为靶向GTD，从根源直接消除CDI疾病症状和细胞损伤的治疗方法提供了新思路。这一类新药物将可与其他艰难梭菌感染治疗方案相互联合，互为补充。同时，依据本研究中新发现的TcdB识别不同底物GTPases的结构序列特征，人们可以将已知的多个TcdB变体划分为两个功能组: RhoA组和R-Ras组，并关联其对应的不同类型的细胞病变。因此，这些TcdB的序列特征可以用来预测艰难梭菌临床菌株的底物特异性和致病性，并帮助指导针对特定变异毒素的有效治疗。

图. VPI10463和M68分别代表艰难梭菌经典和变种菌株。GTDVPI10463优先葡萄糖基化修饰Rho家族GTPases (例如Cdc42)，而GTDM68则可以优先修饰R-Ras。由于它们对Rho或Ras家族GTPases的选择性不同，这两种不同的TcdB会导致两种不同类型的细胞病变。

目前加州大学欧文分校（UCI）金榕生教授课题组可以提供多名博士后职位， 所在地尔湾市（欧文）多年来一直是全美最安全城市之一，欢迎具有结构生物学背景的博士加入团队。

简历投递（有意者请将个人简历等材料发至）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi4582

制版人：十一

参考文献

1. Lessa, F. C., Mu, Y., Bamberg, W. M., Beldavs, Z. G., Dumyati, G. K., Dunn, J. R., Farley, M. M., Holzbauer, S. M., Meek, J. I., Phipps, E. C., Wilson, L. E., Winston, L. G., Cohen, J. A., Limbago, B. M., Fridkin, S. K., Gerding, D. N. & McDonald, L. C. (2015) Burden of Clostridium difficile infection in the United States, N Engl J Med. 372, 825-34.

2. Aktories, K., Schwan, C. & Jank, T. (2017) Clostridium difficile Toxin Biology, Annu Rev Microbiol. 71, 281-307.

3. Drudy, D., Fanning, S. & Kyne, L. (2007) Toxin A-negative, toxin B-positive Clostridium difficile, International journal of infectious diseases : IJID : official publication of the International Society for Infectious Diseases. 11, 5-10.

4. Fatima, R. & Aziz, M. (2019) The Hypervirulent Strain of Clostridium Difficile: NAP1/B1/027 - A Brief Overview, Cureus. 11, e3977.

5. Chen, P., Zeng, J., Liu, Z., Thaker, H., Wang, S. Y., Tian, S. H., Zhang, J., Tao, L., Gutierrez, C. B., Xing, L., Gerhard, R., Huang, L., Dong, M. & Jin, R. S. (2021) Structural basis for CSPG4 as a receptor for TcdB and a therapeutic target in Clostridioides difficile infection, Nature Communications. 12.

6. Chen, P., Tao, L., Wang, T., Zhang, J., He, A., Lam, K. H., Liu, Z., He, X., Perry, K., Dong, M. & Jin, R. (2018) Structural basis for recognition of frizzled proteins by Clostridium difficile toxin B, Science (New York, NY). 360, 664-669.

7. Chen, P., Lam, K. H., Liu, Z., Mindlin, F. A., Chen, B., Gutierrez, C. B., Huang, L., Zhang, Y., Hamza, T., Feng, H., Matsui, T., Bowen, M. E., Perry, K. & Jin, R. (2019) Structure of the full-length Clostridium difficile toxin B, Nat Struct Mol Biol. 26, 712-719.

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