The Innovation | 艰难梭菌是如何击破肠屏障的？

导 语

艰难梭菌感染是造成抗生素相关性腹泻的最主要因素，严重时可发展为伪膜性肠炎、并发性毒性巨肠症和肠穿孔，并导致死亡。抗生素的滥用使艰难梭菌感染目前已经成为一个全球性的公共健康问题。据美国疾病预防和控制中心2019年的公开报告显示，仅美国每年确诊的艰难梭菌感染者约25万人，并造成1.4万人死亡。因此，对艰难梭菌致病机制的研究及相关防治手段的开发成为当前细菌感染领域的重要研究热点。近日，细菌毒素领域专家、德国国家科学院院士、弗赖堡大学的Klaus Aktories教授针对近年来艰难梭菌致病机制的研究进展、特别是在艰难梭菌毒素B如何识别肠道上皮细胞受体、并针对肠隐窝这一弱点部位来突破肠屏障进行了系统点评，文章以Commentary形式在线发表于The Innovation.

图1 图文摘要

艰难梭菌是一种专性厌氧、产生孢子的革兰氏阳性细菌，广泛存在于土壤、水体、人和动物肠道等自然环境中。艰难梭菌通常不会对健康人体造成危害，但对于肠道菌群紊乱、免疫低下的人群则极具威胁。尤其对住院病人和社区老年人群体，艰难梭菌极易在其肠道内定殖并引起爆发性增殖感染，是一种典型的抗生素相关细菌感染性疾病。

艰难梭菌表达有三种外毒素蛋白，分别被称为毒素A（TcdA）、毒素B（TcdB）和二元毒素（CDT）。其中TcdB是艰难梭菌感染发病不可或缺的致病因子，艰难梭菌仅依赖TcdB蛋白即可引发严重的病症，而不表达TcdB的菌株通常是认为不致病的或仅能引起轻微症状。因此，位于肠腔的艰难梭菌利用TcdB突破“人体第一道防线”的肠道屏障是从感染走向疾病发展的关键步骤。

临床分离的艰难梭菌可分为五个进化分支（I-V型），不同进化分支的艰难梭菌表达有至少8个亚型的TcdB。它们的氨基酸序列高度差异化，如1型TcdB（TcdB1）和4型TcdB（TcdB4）仅有85%的氨基酸序列是相同的。2016年一项发表在Nature的研究报道表明，艰难梭菌经典菌株的TcdB1通过识别肠道上皮卷曲受体（FZD）来靶向肠道上皮细胞，部分揭开了TcdB突破肠屏障的秘密。

艰难梭菌的II型进化分支又被称为超毒力分支，约25%-40%的艰难梭菌感染都源于此分支，如近年来在欧洲和北美造成数次爆发性感染的RT027菌系。然而，超毒力艰难梭菌表达的TcdB2和TcdB4却都不能识别经典的FZD受体，它们究竟如何靶向肠道上皮一直困惑着人们。

最近，来自西湖大学的研究团队在Cell发文报道了TFPI是超毒力艰难梭菌TcdB的肠道上皮受体。研究者们利用了一种全基因组水平的CRISPR/Cas9文库筛选技术：CRISPR/Cas9文库中的每个细胞理论上都含有一个不同的基因敲除突变，当使用毒素对细胞文库进行选择压力筛选时，含有与毒素作用密切相关的重要因子（如受体）突变的细胞就会存活下来。通过这一方法，研究者们不仅成功找到并验证了TFPI是超毒力艰难梭菌TcdB的肠道上皮细胞受体，还成功解析了毒素-受体的复合物结构，证明TcdB4是通过识别TFPI中一个名为K2的结构域来结合的。TcdB4与TFPI的结合界面与此前报道的TcdB1与FZD的结合界面高度重合，反映了TcdB受体结合域在进化上的保守性。系统分析表明，TcdB可分为两大类别：一类包含了TcdB1/3/5等亚型，识别FZD蛋白；另一类为超毒力艰难梭菌的TcdB2和TcdB4，以TFPI作为肠道上皮受体。

更有趣的是，FZD和TFPI均高表达于肠道上皮中的“隐窝”（Crypt）结构。隐窝与肠道上皮的修复和自我更新息息相关，艰难梭菌靶向攻击隐窝可谓是击中了肠道屏障的“七寸”，在破坏肠道上皮的同时还阻断了肠道的修复更新。

总结与展望

不同艰难梭菌毒素亚型通过相似的方式识别不同受体，最终攻击宿主的同一组织部位。这一独特的现象引发了对病原菌毒素进化策略的思考和讨论。究竟艰难梭菌的TcdB是同一起源然后分别进化出不同的靶向受体，还是不同起源，在趋同进化的方式下通过识别不同受体却最终靶向同一宿主部位？综上所述，艰难梭菌毒素肠道上皮受体的系统性鉴定将极大地加强对艰难梭菌感染致病机制的认识，并有利于疾病预防和诊治手段的精准开发。

责任编辑

朱 杨  浙江大学

赵 威  香港城市大学

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原文链接：

https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00057-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第四期以Commentary发表的“Another surprise in receptor binding of C. difficile toxins” (投稿: 2022-03-31；接收: 2022-05-15；在线刊出: 2022-05-18)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100261

引用格式：Aktories K. (2022). Another surprise in receptor binding of C. difficile toxins. The Innovation. 3(4),100261.

作者简介

Klaus Aktories, 德国阿尔伯特-路德维希-弗赖堡大学教授、药理和毒理学系主任。德国国家科学院院士，美国微生物科学院（ASM）院士，欧洲分子生物学组织（EMBO）院士。主要研究细菌毒素蛋白作用宿主细胞的工作机制和胞内信号通路影响。

Web: https://www.frias.uni-freiburg.de/en/people/fellows/current-fellows/aktories

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