这项突破来自由约翰斯·霍普金斯金梅尔癌症中心、其布隆伯格~金梅尔癌症免疫治疗研究所以及约翰斯·霍普金斯大学医学院的科学家领导的一个团队。他们的研究成果发表在《自然》杂志上，确定了一种名为密蛋白-4（claudin-4）的蛋白质是细菌毒素BFT的关键结合位点。
更令人振奋的是，研究人员已经利用这一发现开发出一种分子诱饵，能在毒素破坏结肠细胞之前将其拦截。该策略成功保护了小鼠免受毒素的有害影响，这表明可能存在一种预防与结直肠癌相关的细菌损伤的新方法。这项研究得到了美国国立卫生研究院的部分支持。
资深作者、约翰斯·霍普金斯大学布隆伯格~金梅尔癌症免疫治疗教授及医学教授Cynthia Sears医学博士表示：“长期以来，我们多次尝试寻找该受体，所以这是一个激动人心的时刻。了解细菌毒素的作用机制可以为相关疾病的检测和治疗方法打开新大门，这些疾病包括腹泻、结直肠癌和血液感染。”
常见肠道细菌如何促进结肠癌
这项研究的核心是脆弱拟杆菌，这种细菌存在于高达20%的健康人群肠道中。虽然这种细菌的存在并不意味着某人一定会患上癌症，但某些菌株会产生一种强效毒素，能够破坏结肠的保护层，引起炎症，并促进肿瘤生长。
这种毒素被称为脆弱拟杆菌毒素或BFT，多年来一直是研究的对象。在2009年发表在《自然医学》上的一项里程碑式研究中，Sears和她的同事证明了这种毒素可以促进结肠肿瘤的发展。他们的工作帮助确立了产毒肠道细菌、慢性炎症和结直肠癌之间的重要联系。
早期的实验还揭示，BFT会破坏一种名为E-钙黏蛋白（E-cadherin）的蛋白质，该蛋白质有助于将邻近细胞维系在一起并维持结肠的保护屏障。当这种蛋白质被分解时，屏障就会受损，潜在地允许有害物质和细菌干扰周围组织。
然而，一个关键问题仍然没有答案。虽然BFT可以分解E-钙黏蛋白，但毒素似乎并不直接附着在该蛋白质上。研究人员怀疑另一种分子帮助毒素到达其目标，但多次鉴定该分子的尝试均告失败。
科学家利用CRISPR鉴定出缺失的一环
为了解开这个谜团，研究人员求助于CRISPR，这是一种强大的基因编辑技术，允许科学家选择性地禁用基因并研究其功能。
在Sears实验室工作的医学博士/哲学博士候选人Maxwell White与哈佛医学院Matthew Waldor的实验室合作，领导了一项全基因组CRISPR筛选工作。该团队系统地关闭了结肠上皮细胞（构成结肠内壁的细胞）中的基因，以确定哪些基因是毒素附着并造成损害所必需的。
有一个基因表现突出。它产生密蛋白-4，这是一种帮助邻近细胞形成紧密连接的蛋白质，这种连接限制了物质在细胞间的移动并有助于维持肠道屏障。
当研究人员禁用负责产生密蛋白-4的基因后，BFT无法再结合到结肠细胞上。没有最初的附着，毒素就无法攻击E-钙黏蛋白。
这一发现表明，密蛋白-4充当了这种细菌毒素的受体。实际上，毒素必须先锁定这种蛋白质，才能执行其破坏活动。
White说：“让检测方法运作并验证这一途径花了一段时间，但一旦我们能够进行筛选，密蛋白-4显然是排名第一的显著目标。那是一个激动人心的时刻。”
意外发现揭示了一种新的细菌攻击策略
受体的身份让科学家们感到惊讶。
Sears和其他研究人员曾预计BFT会与参与细胞信号传导的蛋白质（如G蛋白偶联受体）相互作用。这些受体的作用有点像通信开关，允许细胞对来自周围环境的信号做出反应。
然而，密蛋白-4的作用截然不同。它主要不是作为信号受体发挥作用，而是帮助维持邻近细胞之间的物理连接。
这一发现还揭示了细菌毒素运作的一种不寻常方式。BFT属于一类称为蛋白酶的酶，用于切割其他蛋白质。大多数蛋白酶直接作用于其目标，但BFT似乎需要一个独立的受体才能到达并破坏E-钙黏蛋白。
当团队回顾以前的科学研究时，他们无法确定另一种已知使用相同机制的毒素。
为了证实BFT和密蛋白-4确实相互结合，约翰斯·霍普金斯大学的研究人员与巴塞罗那分子生物学研究所的结构生物学家F. Xavier Gomis-Rüth和Ulrich Eckhard进行了合作。
利用测量分子相互作用的技术，White和巴塞罗那团队在实验室实验中表明，BFT和密蛋白-4形成了紧密结合的复合物。每个毒素分子与一个受体分子配对，提供了这种连接的直接物理证据。
巧妙的分子诱饵阻断危险的肠道毒素
鉴定受体不仅解释了毒素如何起作用，还给了科学家一个阻止它的想法。
如果BFT需要密蛋白-4才能附着在结肠细胞上，也许一种替代物可以将毒素从其预定目标引开。
为了验证这种可能性，团队开发了一种分子诱饵。这是一种携带密蛋白-4序列的可溶性蛋白，旨在吸引BFT，同时不让其攻击结肠的保护层。
随后，研究人员与哈佛医学院Min Dong的实验室（包括Kang Wang及其同事）合作，在小鼠身上研究了这种方法。这些实验使科学家能够观察毒素在活体肠道这一更复杂环境中的行为。
结果令人鼓舞。BFT没有结合到结肠细胞上的密蛋白-4受体，而是附着在诱饵蛋白上。通过拦截毒素，诱饵成功保护了小鼠免受BFT诱导的损伤。
这一发现表明，干扰毒素的第一步可能是可行的，而不是试图在损伤发生后进行修复。
White说：“这种方法可以通过具有更好药理学特性的小分子或其他生物制剂进行迭代。”该团队目前正在探索哪些分子方法可能最成功地阻断毒素。
小分子是有时可以开发成药物的化合物，而生物制剂是由生物材料（如蛋白质）制成或涉及生物材料的治疗方法。未来版本的诱饵策略可能被设计为在体内更有效地发挥作用或更易于给药。
这一发现对结肠癌预防的意义
尽管这些发现确定了一个有前景的新靶点，但重要的问题仍然存在。
科学家已经证实BFT附着在密蛋白-4上，并且阻断这种相互作用可以保护小鼠免受毒素诱导的损伤。然而，他们尚未获得显示这两个分子如何结合的确切实验三维结构。
即使是先进的人工智能工具，包括AlphaFold，也无法完全解析这种相互作用。了解其精确结构可以帮助研究人员设计更有效的化合物来阻止毒素结合。
还需要进一步的实验来确定诱饵方法是否可以安全有效地预防人类与毒素相关的疾病。小鼠实验证明了对组织损伤的保护作用，但并未证实该策略能预防结直肠癌。
尽管如此，这一发现解决了自2009年确立BFT与结肠肿瘤形成之间的联系以来一直存在的一个主要问题。通过鉴定毒素此前未知的附着点，研究人员发现了一种在有害生物过程开始之前将其阻断的潜在方法。
这些发现最终可能支持检测或治疗与细菌毒素相关疾病的新策略，包括结直肠癌、腹泻和血液感染。
研究作者、资助与声明
参与该研究的其他研究人员包括约翰斯·霍普金斯大学的Jason Chen、Shaoguang Wu、Abby L. Geis和Jessica Queen，以及哈佛医学院的Hailong Zhang、Karthik Hullahalli和Jie Zhang。
资金由布隆伯格~金梅尔癌症免疫治疗研究所、杨森研发公司、英国癌症研究中心、美国国立卫生研究院（资助编号 R01 AI042347, R01 NS080833, R01 NS117626, R01 AI170835 和 R01 AI189789）以及霍华德·休斯医学研究所提供。