NATURE：两支队伍分别发现肉毒毒素的毒理（图）

　　

生物通报道：霍华德修斯医学院（HHMI）由HHMI研究员Axel Brunger（在斯坦福大学）和Edwin Chapman（在维斯康星州大学）分别率领的两支研究小组，各自独立发现肉毒神经毒素(botulinum neurotoxins，BoNTs)关闭神经元的机制。研究结果刊登于12月13日电子版《Nature》杂志。

“肉毒神经毒素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，”Giampietro Schiavo在Nature一篇相关评论中写到，“为此，这篇文章意义重大。”

肉毒神经毒素，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。2004年，Brunger带领的研究小组在Nature上刊登的一篇学术论文，详细介绍了引发肉毒中毒和破伤风的毒素可以识别、攻击神经肌肉连接处特异神经细胞蛋白。已知毒素同时与两个不同的神经受体——一个蛋白，一个糖脂（神经节苷脂）结合，但结合的细节以前还没有人研究过。

两支研究小组都由B型肉毒毒素（BoNT/B）与其受体——突触结合蛋白II（synaptotagmin II）的复合物结晶体入手。与Chapman研究组联手，Scripps Research研究所Raymond Stevens、Qing Chai和Joseph Arndt得到毒素附着的、带有突触结合蛋白II识别区域的全长BoNT/B结构。同时，Brunger小组中，第一作者Rongsheng Jin（金荣胜，音义）与德国Medizinische Hochshule Hannover的Thomas Binz和Andreas Rummel合作，得到BoNT/B受体结合区域与突触结合蛋白II识别区域组成的复合体晶体结构，使复合体的清晰度更进一步。

肉毒神经毒素劫持突触小泡在神经肌肉连接处再循环。毒素首先通过两个膜受体：synaptotagmin（红色）还神经节苷脂（绿色）停靠在活跃区（蓝色），然后毒素受体复合体被细胞内吞

两支研究小组都利用X射线结晶学分析toxin-domain complex复合体的结构。X射线结晶学中，蛋白晶体被X射线攻击，X射线穿过、试探晶体中的原子后留下的衍射图，可用于分析、确定蛋白的三维结构。

两支研究小组几乎同时发现，毒素用分子臂紧密环抱其受体。毒素诱导突触结合蛋白形成一个螺旋，恰好可以填充在毒素分子上的凹槽中。两支小组都证明他们可以通过引入突变体破坏结合，永久性地改变突触结合蛋白受体的形状。

Brunger小组发现，改变毒素结合位点处的一个氨基酸，毒性显著降低。特别是，小鼠横隔膜培育出的突变神经毒素，引发的肌肉麻痹比天然毒素引起的少很多。
“这些提示我们可以设计一种小分子抑制剂，有力破坏毒素和受体之间的相互作用，”Brunger说，“这种抑制剂能够有效解毒，比现有药物的副作用小的多。”了解毒素－受体结合细节有助于设计疫苗。这种疫苗可能由毒素结合区域相映的蛋白片段组成，以激发抗毒素抗体。

两支小组还研究了毒素双受体中神经节苷脂结合位点的作用。Brunger等发现尽管两种受体都是毒素结合、进入神经元所必需的，但蛋白和神经节苷脂结合位点明显不同。

毒素与双位点的结合面要比以前想象的宽许多。Chapman说:“表面齿合地非常棒，毒素与膜紧密结合准备进入细胞。专业点说，了解毒素识别双受体机制，有助于设计针对此识别步骤的小分子抑制剂。”

Brunger 和Chapman强调，这次关于毒素－受体结构的发现有助于毒素的临床应用。注射毒素（商品名为Dysport），已经被广泛应用于美容除皱。然而，毒素还被用于治疗偏头痛，除眼袋等。（生物通记者 小粥）