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不僅限“助攻”病毒感染│陶亮課題組發現TMPRSS2還能介導索氏梭菌出血毒素的宿主入侵
來源：西湖大學 2022-07-28
導讀：近日，西湖大學生命科學學院的陶亮課題組在細菌毒素對宿主細胞功能的影響和作用機制的研究，先后發現了毒素TcdA, Tcnα, TcdB等的多個宿主細胞受體領域再次取得新的突破。北京時間2022年7月26日，團隊在Nature Communications上在線發表題為“Paeniclostridium sordellii?hemorrhagic toxin targets TMPRSS2 to induce colonic epithelial lesions”的研究論文，首次揭示TMPRSS2是TcsH的腸上皮受體，填補了多年以來對出血毒素TcsH知之甚少的領域空白。
索氏梭菌(Paeniclostridium?sordellii)是一種產芽孢的革蘭氏陽性細菌，可感染人和其他動物引起組織壞死，腸毒血癥，敗血癥及中毒性休克等嚴重疾病。該細菌常見于環境中，并有一定幾率定植在人體腸道和女性生殖道中（約3-4%）。目前，索氏梭菌引發的急性感染病例總數不多但卻非常致命。約74%的索氏梭菌急性感染發生在女性分娩或流產過程，致死率接近100%。
索氏梭菌毒力因子主要包括致死毒素TcsL和出血毒素TcsH，這兩種毒素均屬于大梭菌毒素（Large Clostridial Toxin, LCT）家族，該家族其他成員還包括艱難梭菌產生的毒素TcdA和TcdB，產氣莢膜梭菌的毒素TpeL以及諾維氏梭菌的毒素Tcnα等。TcsH是該毒素家族中唯一細胞受體尚未闡明的重要成員，這在很大程度上阻礙了我們對其作用機理和發病機制的研究。西湖大學生命科學學院的陶亮課題組專注于細菌毒素對宿主細胞功能的影響和作用機制的研究，先后發現了毒素TcdA, Tcnα, TcdB等的多個宿主細胞受體，部分研究成果已發表在Cell, Cell Research, Nature Microbiology等期刊上。近日，陶亮課題組在該領域再次取得新的突破。北京時間2022年7月26日，團隊在Nature Communications上在線發表題為“Paeniclostridium sordellii?hemorrhagic toxin targets TMPRSS2 to induce colonic epithelial lesions”的研究論文，首次揭示TMPRSS2是TcsH的腸上皮受體，填補了多年以來對出血毒素TcsH知之甚少的領域空白。由于可參考的關于TcsH的先前研究相對稀少，團隊在初期也遇到了不小的困難。其中一個難點就是合適的與毒素互作的靶向細胞的選擇。與其它LCT相比，TcsH在很多常見細胞株上表現出來得毒性很弱。研究團隊意識到篩選合適細胞系的重要性，于是測試了大量的不同組織來源的細胞系，多數人源細胞系對TcsH都不敏感，但研究中也發現了兩株特定的細胞，人結腸癌細胞系HT-29和人結直腸癌細胞系Caco-2，對TcsH高度敏感?；谶@一發現，團隊選取了HT-29細胞作為研究TcsH的模式細胞，并且為了提高成功率，選擇兩個不同來源的人源sgRNA文庫在HT-29細胞上構建敲除文庫。通過TcsH壓力篩選，研究者們發現這兩個獨立的篩選系統同時富集了一系列共同的靶向基因，包括跨膜絲氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）及巖藻糖基化修飾相關基因GMDS、SLC35C1、FUT4（圖1）。通過構建基因突變和回補細胞，研究者們證明這些基因對TcsH的細胞侵入起了重要作用。圖1. CRISPR/Cas9介導的全基因組敲除篩選發現與TcsH作用相關的宿主基因TMPRSS2由于廣泛參與了包括流感、SARS、MERS等在內的多種病毒的細胞入侵而“臭名昭著”。TMPRSS2參與病毒入侵的方式是通過其絲氨酸蛋白酶活性激活病毒的刺突蛋白，從而促進膜融合。有意思的是，TMPRSS2的絲氨酸蛋白酶活性與其介導TcsH入侵完全無關（圖2）。另一方面，TMPRSS2可以特異性地與TcsH進行結合，親和力高達0.13 nM。說明與“助攻”病毒感染的模式不同，TMPRSS2是作為直接的蛋白受體協助毒素TcsH入侵靶向細胞的。圖2.TMPRSS2的絲氨酸蛋白酶活性缺失不影響介導TcsH的入侵值得一提的是，TMPRSS2僅在少部分細胞上有較高水平表達，且其在細胞中的表達量與該細胞對TcsH的敏感性吻合，這也解釋了為何前期研究發現只有少數細胞株對TcsH是敏感的（圖3）。圖3. TMPRSS2高表達的細胞展現出對TcsH的高敏感性另一方面，巖藻糖基化修飾廣泛存在于許多細胞表面，研究發現其與TcsH在細胞表面的結合密切相關。通過進一步的生化和細胞學實驗，包括構敲除后補回實驗、體外結合、競爭拮抗等，研究者們證明了TMPRSS2和巖藻糖化的作用是相互獨立的，兩者可競爭性地參與TcsH的細胞識別（圖4）.圖4. TMPRSS2和巖藻糖化多糖可作為TcsH兩類相互獨立的受體。最后，為進一步探究TMPRSS2在生理和病理學上的意義，研究者們利用了一種Tmprss2全敲除的小鼠模型。腹腔注射毒素后發現，野生型（Tmprss2+/+）和雜合型（Tmprss2+/?）小鼠對TcsH的耐受性顯著低于純合型（Tmprss2?/?）小鼠。由于腸道是索氏梭菌定植的重要部位之一，且已知部分腸道上皮細胞有較高的TMPRSS2表達。后續研究者們利用野生型和Tmprss2敲除小鼠構建腸道結扎模型，結果顯示TcsH處理后Tmprss2敲除小鼠結腸上皮損傷明顯小于野生型小鼠（圖5）。圖5.小鼠模型顯示TMPRSS2是TcsH重要的病理相關受體西湖大學生命科學學院的陶亮研究員為本文通訊作者；陶亮課題組的博士研究生李星星和賀柳晴為共同第一作者；其他合作作者包括西湖大學的李顏顏博士，博士后羅建華，博士研究生鄭洋鈴、周瑤、李丹陽，及科研助理張媛媛和潘振瑞；此外還感謝西湖大學生科院的章永登研究員在熒光顯微攝影方面提供的幫助。本課題受到國家自然科學基金、西湖實驗室（生命科學和生物醫學浙江省實驗室）及西湖教育基金會的資助；項目實施還得到了西湖大學生物醫學實驗技術中心和實驗動物中心的支持和幫助。西湖大學微生物宿主交互實驗室（實驗室主頁：https://tao.lab.westlake.edu.cn/）致力于研究微生物-宿主之間的相互作用方式和內在規律，尤其是從分子、生化、細胞、生信、結構等方面研究重要病原細菌及其致病因子對宿主的影響及作用機制。西湖大學生命科學學院研究員陶亮近年來以通訊作者在Cell、Cell Research、Nature Microbiology、Nature Communications、PLOS Pathogens等學科主流期刊上發表多篇學術論文。實驗室招收博士研究生，且有多個博士后、科研助理崗位，方向包括且不限于分子微生物學、生物信息學和微生物組學、生物化學、免疫學、細胞生物學等，誠邀各方青年才俊加入、攜手共同成長！（聯系方式：taoliang@westlake.edu.cn）參考資料：https://sls.westlake.edu.cn/NEWS/202207/t20220727_21812.shtml
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