《Anaerobe》：Botulinum Neurotoxins: A Distinct Subclass of SNARE-Cleaving Endopeptidases
編輯推薦：
肉毒桿菌神經(jīng)毒素（BoNTs）及其類似蛋白的基因克隆和功能研究表明，它們屬于更廣泛的SNARE切割酶超家族（SNACLEs），包含高毒性的Clostridium毒素和低毒性非產(chǎn)毒菌毒素，后者可能定植于昆蟲等非脊椎動(dòng)物宿主。
Sabine Pellett
威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，細(xì)菌學(xué)系，1550 Linden Dr., Madison, WI, 53706, 美國(guó)
摘要
肉毒桿菌神經(jīng)毒素（BoNTs）是一種細(xì)菌蛋白毒素，可導(dǎo)致人類和脊椎動(dòng)物出現(xiàn)嚴(yán)重的、可能致命的神經(jīng)麻痹疾病——肉毒中毒。與破傷風(fēng)毒素（TeNT）一起，BoNTs屬于梭菌神經(jīng)毒素（CNTs）這一大類。在結(jié)構(gòu)上，CNTs具有一些保守的特征：一個(gè)50 kDa的鋅依賴性輕鏈內(nèi)肽酶，該內(nèi)肽酶含有HExxH基序，并通過二硫鍵與一個(gè)100 kDa的重鏈相連；重鏈具有負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)和受體結(jié)合的獨(dú)特結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域決定了其對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的特異性。在過去的十年中，基因組分析在非梭菌物種中發(fā)現(xiàn)了類似BoNT的基因，包括Weissella oryzae、Enterococcus faecium、Paeniclostridium ghonii、Chryseobacterium piperi、Paraclostridium bifermentans和Bacillus toyonensis。這些基因編碼的蛋白質(zhì)具有SNARE切割活性，并與BoNTs具有相似的結(jié)構(gòu)特征，但研究表明它們?cè)诩棺祫?dòng)物體內(nèi)的毒性極低，且屬于不同的進(jìn)化支系，這暗示了它們可能具有其他生態(tài)功能。越來越多的證據(jù)表明昆蟲可能是這類蛋白質(zhì)的作用目標(biāo)。具有保守結(jié)構(gòu)和酶活性的類似BoNT的蛋白質(zhì)不斷被發(fā)現(xiàn)，這支持將BoNTs歸類為SNARE切割內(nèi)肽酶這一更大超家族中的一個(gè)獨(dú)立亞家族。我們建議將這一蛋白質(zhì)超家族命名為SNACLEs（SNARE-Cleaving-Endopeptidases），并將CNTs和類似BoNT的蛋白質(zhì)視為不同的家族。
引言
肉毒桿菌神經(jīng)毒素（BoNTs）由厭氧菌屬Clostridium中的多種菌株產(chǎn)生，是導(dǎo)致脊椎動(dòng)物出現(xiàn)嚴(yán)重且持久的神經(jīng)麻痹疾病——肉毒中毒的致病因子1, 2, 3, 4, 5。與密切相關(guān)的破傷風(fēng)毒素（TeNT）一起，BoNTs構(gòu)成了梭菌神經(jīng)毒素（CNTs）家族[5]。歷史上，CNTs及其產(chǎn)生菌株是通過它們與人類和其他脊椎動(dòng)物所患的毀滅性疾病的關(guān)聯(lián)而被發(fā)現(xiàn)的。
在過去的二十年里，基因組學(xué)、分子生物學(xué)和生物信息學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展使得能夠直接從環(huán)境樣本中鑒定出許多微生物及其潛在的毒力因子。在過去的十年中，基于生物信息學(xué)分析，人們發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與CNTs遠(yuǎn)緣相關(guān)的同源物，但這些同源物與任何疾病無關(guān)6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16。這些假定的神經(jīng)毒素的命名并不一致——有些同源物被標(biāo)記為BoNT/后跟一個(gè)物種標(biāo)識(shí)符，而另一些則根據(jù)產(chǎn)生它們的微生物被賦予了全新的名稱。
最近對(duì)類似BoNT的蛋白質(zhì)的研究表明，它們具有與CNTs相似的酶活性，能夠切割可溶性的N-乙基馬來酰亞胺敏感因子附著蛋白受體（SNARE）蛋白，但在脊椎動(dòng)物或人類神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)物中幾乎沒有或完全沒有毒性6, 11, 13, 17, 18, 19�？紤]到CNTs與這些遠(yuǎn)緣同源物在基因組、結(jié)構(gòu)和功能上的相似性，同時(shí)承認(rèn)它們不同的進(jìn)化譜系以及缺乏或僅有微弱的脊椎動(dòng)物毒性，我們提出了一種統(tǒng)一的、描述性的命名方式。具體來說，我們將這一不斷擴(kuò)大的蛋白質(zhì)群體定義為SNARE切割內(nèi)肽酶超家族（SNACLEs），其中CNTs和類似BoNT的蛋白質(zhì)被視為不同的家族。
BoNT命名歷史
“botulinum”一詞源自拉丁語“botulus”，意為“香腸”，這一名稱反映了其與“香腸中毒”的關(guān)聯(lián)——這一現(xiàn)象由Justinus Kerner在18世紀(jì)末和19世紀(jì)初多次重大食源性肉毒中毒事件后首次描述20, 21, 22。盡管與痢疾或流感等疾病相比，這類疾病相對(duì)罕見，但由于其極高的死亡率（接近50%），這些早期疫情引起了廣泛關(guān)注：
梭菌神經(jīng)毒素家族
TeNTs和BoNTs共同構(gòu)成了CNTs家族。雖然觀察到的TeNT亞型變體很少，并且TeNT僅由一種梭菌——Clostridium tetani產(chǎn)生，但BoNTs包含七個(gè)免疫學(xué)上不同的血清型，每個(gè)血清型下又有多個(gè)亞型9, 10, 24。此外，多種梭菌也能產(chǎn)生BoNTs，包括I-IV組的C. botulinum，以及一些原本無毒的菌株，如C. sporogenes、C. butyricum和C. baratii 1, 2
類似BoNT的蛋白質(zhì)
與CNTs較為遠(yuǎn)緣的類似BoNT的蛋白質(zhì)在結(jié)構(gòu)和功能上有一些共同點(diǎn)，但在初級(jí)氨基酸序列上的相似性較低（圖1）。2015年，通過對(duì)Weissella oryzae SG25基因組的生物信息學(xué)分析，首次發(fā)現(xiàn)了類似BoNT的蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)中的輕鏈（LC）被證明能夠催化神經(jīng)SNARE蛋白VAMP2的切割6, 12。為了表明其與BoNTs的關(guān)聯(lián)，這種蛋白質(zhì)被命名為BoNT/Wo，但并未進(jìn)一步明確其分類
SNARE切割內(nèi)肽酶超家族（SNACLEs）
盡管對(duì)類似BoNT的蛋白質(zhì)的功能研究仍在進(jìn)行中，但對(duì)其初級(jí)氨基酸序列的系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，這些蛋白質(zhì)與梭菌神經(jīng)毒素（CNTs）一起形成了一個(gè)更大的SNARE切割內(nèi)肽酶超家族（SNACLEs）中的兩個(gè)獨(dú)立亞群（圖2）[14]。這一進(jìn)化框架突出了它們共同的機(jī)制特征——SNARE蛋白的切割作用——以及它們?cè)谏锷鷳B(tài)位上的差異。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
利益沖突聲明
? 作者聲明以下財(cái)務(wù)利益/個(gè)人關(guān)系可能被視為潛在的利益沖突：Sabine Pellett的資助來自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校。Sabine Pellett與WisperBio存在關(guān)聯(lián)，包括持有該公司的股權(quán)或股票。如果還有其他作者，他們也聲明沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIAID R01AI139306）以及威斯康星大學(xué)食品研究所的資助。作者感謝加拿大安大略省滑鐵盧大學(xué)生物系的Andrew Doxey博士對(duì)手稿的仔細(xì)審閱和反饋。
