细胞:哈佛医学院董敏团队首次在肠球菌中发现一种全新的穿孔毒素

来源：中国生物技术网2022-03-09 18:14

哈佛医学院波士顿儿童医院董敏实验室领导的合作团队在《细胞》杂志上发表了题为“以MHC/HLA-I为受体的新兴肠球菌造孔毒素”的在线文章，首次报道在肠球菌中发现了一个新的穿孔蛋白毒素家族(命名为肠球菌造孔毒素)。

哈佛医学院波士顿儿童医院董敏实验室领导的合作团队在《细胞》杂志上发表了题为“以MHC/HLA-I为受体的新兴肠球菌造孔毒素”的在线文章，首次报道在肠球菌中发现了一个新的穿孔蛋白毒素家族(命名为肠球菌造孔毒素，Epx)。

该家族的一些成员可以特异性靶向人和动物细胞，对人细胞的毒性大于其他已知的致病穿孔毒素。这项研究也证实了肠球菌可以利用这种毒素破坏人体肠道细胞和免疫细胞，证明了其潜在的致病性。

肠球菌是肠道内的共生细菌，广泛分布于自然环境中，包括水、土壤、蔬菜和肉类等食物，以及昆虫、鸟类、鱼类和哺乳动物等野生动物的肠道和粪便。自20世纪70年代以来，肠球菌感染的发病率和死亡率大大增加。由于这些肠球菌耐药性强，容易获得新的耐药基因，肠球菌感染往往非常危险，现已成为医院多重耐药感染的最重要来源之一。由耐药肠球菌引起的心内膜炎、尿路感染和菌血症患者的死亡率可高达25%以上[1，2]。

细菌外毒素是许多致病菌的主要武器。获得毒素基因往往是人类和动物体内主要致病菌“良性”进化的关键一步。如非致病性白喉杆菌可通过噬菌体感染获得表达白喉毒素的基因，成为致病菌[3]。以前在肠球菌中没有发现对人类和哺乳动物细胞有特异性的蛋白毒素。本研究首次发现并验证了肠球菌获得了针对人类和哺乳动物细胞的蛋白毒素，揭示了肠球菌在毒力和致病机制方面令人担忧的潜在进化，值得高度警惕。

传统上，蛋白质毒素的发现是从已知疾病和病原体的研究开始，然后找到致病毒素。人类的许多疾病和病毒都是在自然界中进化而来的，传统的研究往往受限于被动地等待微生物获得某种对人类致病的能力，等待某种疾病与微生物的临床联系。这一伟大发现始于从野外收集分离各种肠球菌菌株并进行大规模基因组测序，通过分析找出潜在的新毒素基因，然后通过对结构和宿主受体的研究，在分子水平上直接阐明毒素的功能和宿主特异性。该研究充分利用了当前“后基因组时代”微生物毒力因子和潜在致病机制的新研究途径，直接揭示了潜在致病菌和毒力因子的存在和作用机制，提供了先治“菌”的可能性，为未来新兴致病菌的防控做准备。

这项研究的主要合作者，哈佛大学医学院和布罗德研究所的Michael Gilmore教授领导的研究团队，在美国国立卫生研究院的支持下，长期从事肠球菌菌株的收集和基因组测序工作。2018年，董敏实验室和迈克尔吉尔摩实验室合作，在从美国蒙大拿州野马粪便中收集的一株肠球菌中发现了编码新穿孔毒素的基因。进一步分析表明，有8个相似的毒素(Epx1-8)，构成了一个独特的毒素家族。目前，已在近年分离的46株肠球菌(包括屎肠球菌、屎肠球菌和平氏肠球菌)中发现这些毒素。这些菌株的来源包括人和动物粪便、超市鸡肉、废水和人体组织样本等。他们的分布地点遍布五大洲。

穿孔毒素是一种常见的细菌毒素。在作为单体分泌后，它们将聚集在宿主细胞膜上并形成跨膜孔。穿孔毒素能破坏宿主上皮屏障，杀死免疫细胞和组织细胞，因此是许多病原菌的重要致病因子。典型的穿孔毒素，如-溶血素；(-溶血素；Hla)是金黄色葡萄球菌的重要致病因子。这类穿孔毒素以溶血素为代表，通常由7个单体聚合形成一个-桶型跨膜穿孔通道，其经典结构早在1996年就用晶体结构生物学方法进行了分析[4]。为了探索Epx的分子机制，董敏实验室与哈佛医学院Jonathan Abraham实验室和吴昊教授实验室合作，通过晶体学和冷冻电镜分析了Epx1和Epx4的结构。结果表明，Epx1和Epx4属于桶形造孔毒素家族。其整体结构与传统的-溶血素家族成员相似，包括由夹心区组成的cap结构域、富含芳香族氨基酸的疏水rim结构域和桶形成的跨膜穿孔通道的stem结构域[4]。有趣的是，与传统桶穿孔毒素家族形成的七聚体穿孔通道不同，Epx1和Epx4都形成了八聚体穿孔通道结构。与已知穿孔毒素的另一个区别是，Epx1和Epx4在胞外结构域上方形成一个额外的-桶结构(称为“顶部”结构域)。Top结构域中几个关键氨基酸残基的突变研究表明，该结构域在Epx穿孔通道的形成和稳定中起重要作用。这些独特的结构特征证实了Epx毒素形成了桶穿孔毒素家族的一个独特分支。