揭示创伤弧菌 MARTX 毒素靶向宿主细胞表面双天线 N - 聚糖的结合机制及关键意义

在探究多功能自加工重复毒素（MARTX）识别宿主细胞表面机制不明的问题上，研究人员开展了创伤弧菌 MARTX 毒素的研究。结果发现其特定区域 Aknot 与宿主细胞表面复杂 N - 聚糖结合，这对理解 MARTX 毒素致病机制意义重大。

　　在微生物感染与宿主细胞的 “战场” 上，细菌毒素常常扮演着关键的 “进攻武器” 角色。多功能自加工重复毒素（Multifunctional autoprocessing repeats-in-toxin，MARTX）是革兰氏阴性菌分泌的一类重要外毒素，在许多细菌感染哺乳动物、昆虫及水生动物宿主的过程中，发挥着至关重要的致病作用。像霍乱弧菌（Vibrio cholerae）、创伤弧菌（Vibrio vulnificus）等细菌所分泌的 MARTX 毒素，能帮助细菌成功定植并增强毒力。然而，尽管科学家们对 MARTX 毒素的分泌、自加工过程以及其效应子在细胞内的定位和功能有了较为深入的了解，但这类毒素最初是如何精准地结合到宿主细胞表面的，这一关键机制却一直像迷雾般笼罩在科研人员心头，亟待揭开。

创伤弧菌作为一种海洋病原体，其引发的人类感染，如食用海鲜后的肠胃炎、接触海水后的伤口感染，严重时可发展为败血症，致死率高达 50%，在未及时使用抗生素治疗的情况下，72 小时内死亡率甚至可达 100%。而且，随着气候变化，其感染范围正不断扩大，对人类健康构成了巨大威胁。在创伤弧菌的致病过程中，MARTX 毒素（MARTX_Vv）起着不可或缺的作用，因此，深入探究 MARTX_Vv与宿主细胞表面的结合机制，对于理解创伤弧菌的致病机制、开发针对性的防治策略至关重要。

为了解开这一谜团，来自国外（文中未明确具体研究机构名称）的研究人员开展了一系列研究。他们的研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为我们认识 MARTX 毒素与宿主细胞的相互作用提供了全新的视角。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是结构预测算法 AlphaFold2，用于分析 MARTX_Vv的结构特征，预测潜在的结合区域；其次是亲和纯化 - 质谱（AP-MS）技术，以此来鉴定与毒素结合的宿主细胞蛋白；此外，还利用了基因编辑技术，如 CRISPR-Cas9 系统，构建基因敲除细胞系，探究特定基因在毒素结合过程中的作用；同时，借助免疫荧光成像、流式细胞术、酶联免疫吸附测定（ELISA）等实验技术，从不同层面检测毒素与细胞的结合情况。

下面让我们深入了解一下研究结果：

1. MARTX 毒素区域与宿主细胞表面结合：研究人员通过 AlphaFold2 结构预测算法，发现 MARTX_Vv的 N - 末端重复区域存在一个 273 - 氨基酸的插入区域，因其结构类似绳结，被命名为 Aknot。Aknot 区域折叠成两个对称的亚结构域，具有免疫球蛋白（Ig）样折叠。实验表明，Aknot - HA 能以纳摩尔浓度依赖的方式与多种细胞系结合，包括 HeLa 上皮细胞、T84 肠道上皮细胞和皮肤成纤维细胞等，这表明 Aknot 是 MARTX 毒素与宿主细胞表面结合的重要区域。
2. Aknot 与宿主表面 L1CAM 结合：运用 AP-MS 技术，研究人员发现 L1 细胞粘附分子（L1CAM）是 Aknot 的主要结合伙伴。进一步实验证实，Aknot - HA 与 L1CAM 存在特异性相互作用，L1CAM 的过表达能显著增强 Aknot 的结合，而敲除 L1CAM 基因则会使 Aknot 的结合减少约一半，这说明 L1CAM 是 Aknot 的主要表面受体，但并非唯一受体。
3. Aknot 靶向复杂 N - 聚糖：由于 L1CAM 的胞外区域高度 N - 糖基化，研究人员探究了 N - 聚糖在 Aknot - HA 结合中的作用。实验发现，去除 L1CAM 的 N - 聚糖后，Aknot - HA 无法与之结合。利用基因工程改造的细胞系研究发现，Aknot - HA 识别的是复杂 N - 聚糖，且对具有多个复杂 N - 聚糖的蛋白具有选择性，如过表达 E - cadherin（CDH1）并不能增加 Aknot - HA 的结合。
4. Aknot 优先结合双天线 N - 聚糖内部的 GlcNAc 残基：通过细胞基聚糖阵列实验，研究人员发现 Aknot - HA 结合依赖于双天线 N - 聚糖，而对简单的末端聚糖表位不敏感。去除末端唾液酸或核心结构延伸部分，并不影响 Aknot - HA 的结合，高浓度的 GlcNAc₃能抑制 Aknot - HA 与 L1CAM 的结合，这表明 Aknot - HA 识别双天线 N - 聚糖上的 GlcNAc 残基，且不依赖于进一步的半乳糖基化和唾液酸化修饰。此外，Aknot - HA 与携带双天线复杂 N - 聚糖的人工 N - 糖载体结合良好，进一步证实了其结合特性。
5. MARTX_Vv的 Aknot 区域对创伤弧菌毒力至关重要：研究人员构建了多种创伤弧菌菌株，通过细胞毒性实验和小鼠感染实验发现，缺失 Aknot 区域的毒素无法使细胞裂解，感染缺失 Aknot 区域菌株的小鼠全部存活，而感染野生型菌株的小鼠则在 36 小时内死亡，这充分表明 Aknot 对于 MARTX 依赖的哺乳动物肠道感染中毒至关重要。

综合研究结论和讨论部分，该研究具有重要意义。研究人员首次发现 Aknot 模块是 MARTX 毒素结合特定糖蛋白上 N - 聚糖的关键区域，其识别的是复杂双天线 N - 聚糖内部的 GlcNAc 残基，而非常见的末端糖基。这种独特的结合模式使得 MARTX 毒素能够广泛地与多种糖蛋白相互作用，扩大了宿主范围，解释了 MARTX_Vv的宿主嗜性。同时，研究还揭示了 L1CAM 作为重要宿主受体的作用，以及 Aknot 与 N - 聚糖结合在创伤弧菌感染过程中的重要性。此外，研究结果还暗示了 MARTX 毒素在宿主细胞表面可能存在多个受体结合域，这为进一步探究 MARTX 毒素的感染机制提供了新的方向。未来，深入研究 Aknot 与 N - 聚糖结合的关键残基，以及寻找其他潜在的宿主表面相互作用域，有望为开发针对创伤弧菌及其他相关病原体感染的防治策略提供重要依据，对保障人类健康具有重要的潜在价值。