近日，首都医科大学附属北京友谊医院杨国威研究员团队与中国医学科学院病原生物学研究所杨剑研究员团队合作在国际病原生物学期刊《PLOS Pathogens》同期发表了两篇题为“Genome-wide dissection reveals diverse pathogenic roles of bacterial Tc toxins”和“N-Glycans and sulfated glycosaminoglycans contribute to the action of diverse Tc toxins on mammalian cells”的研究论文，首次对毒素复合体（Toxin complex，简称Tc toxin）在各种细菌中的分布、进化、毒力结构域特征等进行了全面系统的分析，揭示了Tc toxin家族是一类在细菌中广泛存在的多型性毒素系统；通过全基因组敲除文库筛选，发现了宿主细胞膜表面的N-聚糖及糖胺聚糖可以分别介导不同Tc toxin的宿主靶向性。附属北京友谊医院宋楠副研究员、中国医学科学院病原生物学研究所陈立宏副研究员及英国华威大学周哲敏博士为论文的共同第一作者，附属北京友谊医院杨国威研究员和中国医学科学院病原生物学研究所杨剑研究员为共同通讯作者。

Tc toxin是一类ABC型细菌毒素，最早发现于发光杆菌（Photorhabdus）中，其通常是由TcA、TcB及TcC三个亚基按5：1：1的比例组成的高分子量蛋白质复合体，其中TcC蛋白C末端毒力结构域可经由TcA形成的孔道转运至靶细胞内部，进而发挥毒性作用。目前国际上对该细菌毒素的研究主要集中于结构生物学方面，但是对于其在其他病原菌中的分布情况、宿主细胞靶向性、及其是否参与病原菌相关感染性疾病的致病过程等仍然未知。

该研究首先针对TcA、TcB及TcC蛋白的保守结构域信息，通过基于隐马模型的蛋白特征谱结合基因组排列关联性分析，从公开的细菌基因组序列中，识别出2528个tc基因簇，发现其中大部分Tc toxin分布于假单胞菌、沙门氏菌、变形杆菌、耶尔森氏菌等临床常见病原菌中（图1）。针对TcC蛋白C末端潜在毒力结构域进行了聚类分析和功能预测，结果显示这些Tc toxin可能编码了百余种未知的毒力因子。随后，为了促进后续的相关功能研究，还专门设计构建了开放共享的Tc toxin数据库。进一步通过对EnteroBase数据库中收录的近30万沙门氏菌和耶尔森氏菌基因组草图中的tc基因簇的深入分析，揭示了TcC蛋白RHS_core基序不仅对于其C末端结构域的自剪切释放至关重要，而且其高度保守的核酸序列还能通过同源重组的方式介导Tc toxin毒力结构域的水平转移。从而以进化的角度解析了Tc toxin作为一类多态型毒素家族，如何获得不同毒力结构域的可能分子机制。

图1. Tc toxin 在细菌中广泛分布

Tc toxin的靶细胞特异性是由TcA五聚体决定，目前P. luminescens的TcA蛋白（Pl-TcdA1）相关的冷冻电镜结构已被解析，但具体的结合机制尚未阐明。该研究团队通过对上述Tc toxin数据库中的1189个TcA蛋白的聚类分析，发现其可以分为5个亚类，且不同亚类存在较好的种属特异性。目前功能研究较为明确的Tc多由I型TcA蛋白参与组成。通过CRISPR-Cas9全基因组敲除细胞文库结合二代测序技术，该研究发现不同的I型TcA蛋白具有不同的靶细胞结合分子，例如Pl-TcdA1和Pl-TcdA2可分别通过N-聚糖及糖胺聚糖等分子实现Tc toxin与靶细胞的结合（图2）。该研究说明Tc toxin家族细菌毒素不仅存在多种毒力结构域，不同TcA蛋白还具有其特异的结合分子及靶细胞，并进一步提示Tc toxin可能作为重要的细菌毒素，介导不同种属细菌的宿主定植及毒力作用。

图2. N-glycan介导Tc toxin的细胞靶向性

上述两项连续性研究工作阐明了Tc toxin的广泛分布及毒力作用多样性，并为后续研究该细菌毒素的致病机制提供了详实的数据支持及研究体系。此外，通过充分解析TcC蛋白C末端结构域的理化性质及TcA蛋白受体结合结构域，后续研究可能将该细菌毒素改构为具有靶细胞特异性的蛋白质转运工具，因此在生物医学领域具有潜在的应用前景。

该研究得到国家自然科学基金（81801980，31970635，82072234）、北京市医院管理中心“青苗”计划（QML20190107）等项目资助。

杨国威，首都医科大学附属北京友谊医院研究员，硕士生导师，现任北京热带医学研究所所长助理，热带病防治研究北京市重点实验室主任。长期从事细菌与宿主相互作用的研究，主要聚焦于细菌分泌系统及其相关毒力因子致病性等方面的工作。2012年回国以来，针对细菌六型分泌系统和细菌毒素复合物等方面的研究，以第一作者/通讯作者（含共同）在Cell Host&Microbe、Cell Reports、eLife和PLOS Pathogens等杂志发表多篇高水平论文。