Science：首个神经毒素复合物3D结构

华裔博士最新Science解析关键机制

　　

生物通报道：来自斯坦福大学Burnham医学院，德国汉诺威医科学院等处的研究人员发表了题为“Botulinum Neurotoxin Is Shielded by NTNHA in an Interlocked Complex”的文章，首次报道了一种神经毒素复合物的三维结构，揭示了这种潜在的生物恐怖袭击试剂：肉毒杆菌如何在胃部恶性环境下生存下来的，相关成果公布在Science杂志上。

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文章的通讯作者是斯坦福大学Burnham医学院助理教授Rongsheng Jin（金荣胜，音义）博士，其研究组一直致力于肉毒神经毒素的研究，他表示，“现在我们更好的理解了这一细胞机器的结构，这一结构能有力的保护其毒性，以及进行传递。因此从中我们能更清晰的找到其弱点所在。”

肉毒神经毒素（botulinum neurotoxin），是世界几大致死性神经毒素之一。它们首先与神经元表面的受体结合，然后向神经元中挤入一种酶，降解神经元相互联系所需的关键蛋白。毒素通过麻痹呼吸肌（respiratory muscles），影响乙酰胆碱激活的肌肉运动神经元。

这一毒素具有两面性，一方面能引起肉毒杆菌中毒，另外一个方面它也是生物学家的有力工具，被广泛应用于特定神经系统疾病的治疗中。

在这篇文章中，研究人员利用X射线结晶技术，获得了首个肉毒神经毒素与其“保镖”蛋白复合物的3D结构，从中找到了肉毒杆菌的致命弱点，并指出防止利用肉毒杆菌进行生物袭击的新措施。

研究人员解析了这一毒素的三部分结构：第一是识别神经识别的区域，第二是能像剪刀一样切断人类神经蛋白，引起瘫痪的酶，第三个部分是打个孔，帮助传递酶到神经末梢的类似针状的结构。而且研究人员还捕获到了毒素与第二个细胞蛋白：非毒非血凝素成分（NTNHA）的相互作用。

金博士说，“我们惊讶的看到NTNHA这一无毒成分与肉毒神经毒素惊人的相似，NTNHA结构也具有三个部分，就像是肉毒神经毒素的一个拷贝。这两种蛋白结合在一起，就像是在握手一样”。这项研究还指出了肉毒神经毒素与NTNHA如何平衡其相互作用过程中的紧密结合和适时释放的，这将有助于探索针对这两种分子的抑制作用。

研究人员希望能通过一种小分子，“欺骗”毒素和其保镖蛋白，传递错误信号，从而阻止其作用，他们认为这种治疗方法可以单独使用，或者与其它方面联合使用，从而预防生物袭击者利用肉毒杆菌污染公众健康。

之前金博士研究组曾与汉诺威医学院Andreas Rummel等人合作，将血清B型毒素的受体结合区域与突触结合蛋白II的识别区域制成晶体，获得了复合体的高清晰度的图像。他们发现这种毒素以分子结构直接包绕住它的受体，诱导突触结合蛋白出现一个螺旋结构，这个结构恰好能够精确的吻合到毒素上的一个凹槽。研究人员指出通过引入突变巧妙的改变突出结合蛋白的结构，可以使这种结合瓦解。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Botulinum Neurotoxin Is Shielded by NTNHA in an Interlocked Complex

Botulinum neurotoxins (BoNTs) are highly poisonous substances that are also effective medicines. Accidental BoNT poisoning often occurs through ingestion of Clostridium botulinum–contaminated food. Here, we present the crystal structure of a BoNT in complex with a clostridial nontoxic nonhemagglutinin (NTNHA) protein at 2.7 angstroms. Biochemical and functional studies show that NTNHA provides large and multivalent binding interfaces to protect BoNT from gastrointestinal degradation. Moreover, the structure highlights key residues in BoNT that regulate complex assembly in a pH-dependent manner. Collectively, our findings define the molecular mechanisms by which NTNHA shields BoNT in the hostile gastrointestinal environment and releases it upon entry into the circulation. These results will assist in the design of small molecules for inhibiting oral BoNT intoxication and of delivery vehicles for oral administration of biologics.