《自然》：潛伏腸道30年的“隱形殺手”露出真面目！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)脆弱擬桿菌毒素的膜受體，打通脆弱擬桿菌促腸癌最后一環(huán)丨科學(xué)大發(fā)現(xiàn)

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結(jié)直腸癌是全球最常見的惡性腫瘤之一，而腸道微生物群在其發(fā)生發(fā)展中的作用日益受到重視。

產(chǎn)毒素型脆弱擬桿菌（ETBF）就是其中研究最為深入的一種，它可在多達20%的健康人腸道中檢出，卻在結(jié)直腸癌患者的腫瘤黏膜中富集程度顯著偏高。

ETBF的致癌能力完全依賴其分泌的一種金屬蛋白酶，即脆弱擬桿菌毒素（BFT）。BFT能切割腸上皮細(xì)胞表面的E-鈣黏蛋白胞外域，進而破壞上皮屏障、觸發(fā)促癌性炎癥反應(yīng)，并促進細(xì)胞異常增殖。

然而，BFT究竟與細(xì)胞表面哪個受體結(jié)合、又如何精準(zhǔn)切割E-鈣黏蛋白，長達30年來始終是個謎。今天，約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院Cynthia L. Sears和哈佛醫(yī)學(xué)院Min Dong領(lǐng)銜的研究團隊，在《自然》雜志發(fā)表了一篇重要研究論文，終于破解了上述謎題。

他們發(fā)現(xiàn)，緊密連接蛋白Claudin-4是BFT的細(xì)胞表面受體，BFT與Claudin-4結(jié)合后被招募至細(xì)胞膜表面，進而得以切割位于膜近端的E-鈣黏蛋白。這一發(fā)現(xiàn)不僅解開了BFT作用機制的核心謎題，更為開發(fā)針對BFT的治療策略提供了新的靶點。

科學(xué)家早在1996年就發(fā)現(xiàn)BFT能夠?qū)е翬-鈣黏蛋白的快速切割，到2006年證明了BFT能夠結(jié)合到某個特定的腸道上皮細(xì)胞受體，但是一直不知道這個受體是誰。Sears/Dong團隊想通過全基因組CRISPR敲除篩選，找到介導(dǎo)BFT毒性的那個關(guān)鍵膜受體。

經(jīng)過數(shù)輪篩選之后，他們發(fā)現(xiàn)Claudin-4（編碼基因CLDN4）以壓倒性優(yōu)勢被命中，其旁系同源蛋白Claudin-3也位列其中。由于篩選結(jié)果中未見任何胞內(nèi)信號分子，因此否定了既往提出的“BFT需激活宿主細(xì)胞蛋白酶才能切割E-鈣黏蛋白”的假說。

為了確定Claudin-4和Claudin-3哪個對BFT的毒性至關(guān)重要，研究人員利用CRISPR-Cas9開啟了基因敲除實驗。實驗發(fā)現(xiàn)，Claudin-4編碼基因敲除讓細(xì)胞對BFT誘導(dǎo)的細(xì)胞變圓（毒性表現(xiàn)）和E-鈣黏蛋白脫落，均產(chǎn)生約20倍的抵抗力；而Claudin-3編碼基因敲除細(xì)胞則無顯著變化。不過，如果同時敲除Claudin-4和Claudin-3的編碼基因，抵抗力進一步提升。這個結(jié)果說明，Claudin-4對于BFT的毒性至關(guān)重要，而Claudin-3可以在Claudin-4缺失的情況下部分補償其功能。

隨后，研究人員證實，BFT直接且穩(wěn)定地結(jié)合在表達Claudin-4的細(xì)胞表面，而在Claudin-4敲除細(xì)胞中這種結(jié)合消失。免疫共沉淀實驗也證實二者可以結(jié)合形成復(fù)合物，這也說明細(xì)胞表面的Claudin-4就是BFT的受體。

由于前面的CRISPR篩選實驗沒有發(fā)現(xiàn)宿主細(xì)胞蛋白酶，研究人員就假設(shè)BFT與Claudin-4的結(jié)合，可能促進BFT直接切割細(xì)胞表面定位的E-鈣黏蛋白。通過一系列的實驗，他們證實了上述假設(shè)。即，Claudin-4的結(jié)合將BFT招募至細(xì)胞表面，以執(zhí)行BFT的蛋白酶功能。

研究進一步通過Claudin-4各結(jié)構(gòu)域的突變體分析發(fā)現(xiàn)，胞外段1（ECS1）中的T45位點對BFT結(jié)合尤為關(guān)鍵，單一的T45N突變即可完全消除穩(wěn)定的BFT結(jié)合。他們還利用AlphaFold 3對Claudin-4/BFT/E-鈣黏蛋白三元復(fù)合物進行結(jié)構(gòu)預(yù)測，結(jié)果顯示BFT被招募至膜表面后，其活性位點恰好對準(zhǔn)了E-鈣黏蛋白跨膜域近端的切割位點。

在研究的最后，研究人員將BFT與可溶性Claudin-4類似物（CLN4sol）共同注射入小鼠盲腸，發(fā)現(xiàn)CLN4sol可顯著減少BFT引發(fā)的腸上皮細(xì)胞脫落和組織水腫，并有效保護E-鈣黏蛋白的完整性。

總的來說，這項研究從根本上解答了BFT研究領(lǐng)域長達約三十年的核心問題：毒素如何識別靶細(xì)胞并精準(zhǔn)切割E-鈣黏蛋白。這個研究發(fā)現(xiàn)的Claudin-4作為受體這一事實，揭示了一類此前未被描述的微生物蛋白酶調(diào)控機制——毒素通過與宿主細(xì)胞受體結(jié)合被招募至細(xì)胞表面，從而獲得對膜底物的可及性并觸發(fā)切割，而非直接作用于底物。這賦予了ETBF對特定靶細(xì)胞的精準(zhǔn)識別能力，具有重要的細(xì)菌致病機制理論價值。

在應(yīng)用層面，Claudin-4與BFT的結(jié)合界面構(gòu)成了一個高度特異性的藥物靶點，研究中CLN4sol在動物模型中的保護效果，提示這類可溶性Claudin-4類似物有望發(fā)展為預(yù)防ETBF相關(guān)腹瀉、膿毒癥乃至結(jié)直腸癌的新型生物制劑。

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參考文獻：

[1]. White, M.T., Wang, K., Zhang, H. et al. A pro-carcinogenic bacterial toxin binds claudin-4 to cleave E-cadherin. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10375-0

本文作者丨BioTalker