科研進展 | 陶亮課題組發(fā)現(xiàn)TMPRSS2不僅限“助攻”病毒感染還能介導索氏梭菌出血毒素的宿主入侵

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(huán)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(fā)的急性感染病例總數(shù)不多但卻非常致命。約 74%的索氏梭菌急性感染發(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)了毒素 TcdA, Tcnα, TcdB 等的多個宿主細胞受體，部分研究成果已發(fā)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(fā)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。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31994-x

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(xiàn)出來的毒性很弱。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(shù)人源細胞系對 TcsH 都不敏感，但研究中也發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)這兩個獨立的篩選系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(xié)助毒素 TcsH 入侵靶向細胞的。

圖3. TMPRSS2 高表達的細胞展現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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，包括構建敲除后補回實驗、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(fā)現(xiàn)，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(xù)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(yī)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(yī)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（實驗室主頁鏈接：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(guī)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(fā)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！

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