近日，我院楊國威研究員團隊與中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所楊劍研究員團隊合作在國際病原生物學(xué)期刊PLOS Pathogens同期發(fā)表了兩篇題為Genome-wide dissection reveals diverse pathogenic roles of bacterial Tc toxins和N-Glycans and sulfated glycosaminoglycans contribute to the action of diverse Tc toxins on mammalian cells的論文，首次對毒素復(fù)合體（Toxin complex，簡稱Tc toxin）在各種細(xì)菌中的分布、進化、毒力結(jié)構(gòu)域特征等進行了全面系統(tǒng)的分析。研究表明Tc toxin家族是一類在細(xì)菌中廣泛存在的多型性毒素系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過全基因組敲除文庫篩選，發(fā)現(xiàn)了宿主細(xì)胞膜表面的N-聚糖及糖胺聚糖可以分別介導(dǎo)不同Tc toxin的宿主靶向性。

我院宋楠副研究員分別為兩項研究工作的共同第一作者及第一作者，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所陳立宏副研究員及英國華威大學(xué)周哲敏博士為共同第一作者，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所楊劍研究員為共同通訊作者，我院楊國威研究員分別為兩項研究工作的共同通訊作者及通訊作者。

Tc toxin是一類ABC型細(xì)菌毒素，最早發(fā)現(xiàn)于光桿菌（Photorhabdus）中，其通常是由TcA、TcB及TcC三個亞基按5：1：1的比例組成的高分子量蛋白質(zhì)復(fù)合體，其中TcC蛋白C末端毒力結(jié)構(gòu)域可經(jīng)由TcA形成的孔道轉(zhuǎn)運至靶細(xì)胞內(nèi)部，進而發(fā)揮毒性作用。目前國際上對該細(xì)菌毒素的研究主要集中于結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面，但是對于它在其他病原菌中的分布情況、宿主細(xì)胞靶向性、及其是否參與病原菌相關(guān)感染性疾病的致病過程等仍然未知。

該研究首先針對TcA、TcB及TcC蛋白的保守結(jié)構(gòu)域信息，通過基于隱馬模型的蛋白特征譜結(jié)合基因組排列關(guān)聯(lián)性分析，從公開的細(xì)菌基因組序列中，識別出2528個tc基因簇，發(fā)現(xiàn)其中大部分Tc toxin分布于假單胞菌、沙門氏菌、變形桿菌、耶爾森氏菌等臨床常見病原菌中（圖1）。針對TcC蛋白C末端潛在毒力結(jié)構(gòu)域進行了聚類分析和功能預(yù)測，結(jié)果顯示這些Tc toxin可能編碼了百余種未知的毒力因子。隨后，為了促進后續(xù)的相關(guān)功能研究，還專門設(shè)計構(gòu)建了開放共享的Tc toxin數(shù)據(jù)庫。進一步通過對EnteroBase數(shù)據(jù)庫中收錄的近30萬沙門氏菌和耶爾森氏菌基因組草圖中的tc基因簇的深入分析，揭示了TcC蛋白RHS-core基序不僅對于其C末端結(jié)構(gòu)域的自剪切釋放至關(guān)重要，而且其高度保守的核酸序列還能通過同源重組的方式介導(dǎo)Tc toxin毒力結(jié)構(gòu)域的水平轉(zhuǎn)移。從而以進化的角度解析了Tc toxin作為一類多態(tài)型毒素家族，如何獲得不同毒力結(jié)構(gòu)域的可能分子機制。

Tc toxin的靶細(xì)胞特異性是由TcA五聚體決定，目前P. luminescens的TcA蛋白（Pl-TcdA1）相關(guān)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)已被解析，但具體的結(jié)合機制尚未闡明。該研究團隊通過對上述Tc toxin數(shù)據(jù)庫中的1189個TcA蛋白的聚類分析，發(fā)現(xiàn)其可以分為5個亞類，且不同亞類存在較好的種屬特異性。目前功能研究較為明確的Tc多由I型TcA蛋白參與組成。通過CRISPR-Cas9全基因組敲除細(xì)胞文庫結(jié)合二代測序技術(shù)，該研究發(fā)現(xiàn)不同的I型TcA蛋白具有不同的靶細(xì)胞結(jié)合分子，例如Pl-TcdA1和Pl-TcdA2可分別通過N-聚糖及糖胺聚糖等分子實現(xiàn)Tc toxin與靶細(xì)胞的結(jié)合。該研究說明Tc toxin家族細(xì)菌毒素不僅存在多種毒力結(jié)構(gòu)域，不同TcA蛋白還具有其特異的結(jié)合分子及靶細(xì)胞，并進一步提示Tc toxin可能作為重要的細(xì)菌毒素，介導(dǎo)不同種屬細(xì)菌的宿主定植及毒力作用。

上述兩項連續(xù)性研究工作闡明了Tc toxin的廣泛分布及毒力作用多樣性，并為后續(xù)研究該細(xì)菌毒素的致病機制提供了詳實的數(shù)據(jù)支持及研究體系。此外，通過充分解析TcC蛋白C末端結(jié)構(gòu)域的理化性質(zhì)及TcA蛋白受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域，后續(xù)研究可能將該細(xì)菌毒素改構(gòu)為具有靶細(xì)胞特異性的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運工具，因此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

研究得到國家自然科學(xué)基金（81801980，31970635，82072234）、北京市醫(yī)院管理中心“青苗”計劃（QML20190107）及中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)新基金（2017-I2M-3-017）等項目資助。

專家介紹

楊國威，研究員，碩士生導(dǎo)師。現(xiàn)任北京熱帶醫(yī)學(xué)研究所所長助理，熱帶病防治研究北京市重點實驗室主任。長期從事細(xì)菌與宿主相互作用的研究，主要聚焦于細(xì)菌分泌系統(tǒng)及其相關(guān)毒力因子致病性等方面的工作。在Cell Host&Microbe、Cell Reports、eLife和PLOS Pathogens等期刊發(fā)表多篇高水平論文。           （科技處）