霍華德修斯醫(yī)學(xué)院（HHMI）由HHMI研究員Axel Brunger（在斯坦福大學(xué)）和Edwin Chapman（在維斯康星州大學(xué)）分別率領(lǐng)的兩支研究小組，各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)肉毒神經(jīng)毒素(botulinum neurotoxins，BoNTs)關(guān)閉神經(jīng)元的機(jī)制,。研究結(jié)果刊登于12月13日電子版《Nature》雜志,。
“肉毒神經(jīng)毒素是生物學(xué)家的有力工具，被廣泛應(yīng)用于特定神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療中,，”Giampietro Schiavo在Nature一篇相關(guān)評(píng)論中寫到，“為此，這篇文章意義重大,。”
肉毒神經(jīng)毒素，是世界幾大致死性神經(jīng)毒素之一,。它們首先與神經(jīng)元表面的受體結(jié)合,，然后向神經(jīng)元中擠入一種酶，降解神經(jīng)元相互聯(lián)系所需的關(guān)鍵蛋白,。毒素通過麻痹呼吸?。╮espiratory muscles），影響乙酰膽堿激活的肌肉運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元,。2004年,，Brunger帶領(lǐng)的研究小組在Nature上刊登的一篇學(xué)術(shù)論文，詳細(xì)介紹了引發(fā)肉毒中毒和破傷風(fēng)的毒素可以識(shí)別,、攻擊神經(jīng)肌肉連接處特異神經(jīng)細(xì)胞蛋白,。已知毒素同時(shí)與兩個(gè)不同的神經(jīng)受體——一個(gè)蛋白，一個(gè)糖脂（神經(jīng)節(jié)苷脂）結(jié)合,，但結(jié)合的細(xì)節(jié)以前還沒有人研究過,。
兩支研究小組都由B型肉毒毒素（BoNT/B）與其受體——突觸結(jié)合蛋白II（synaptotagmin II）的復(fù)合物結(jié)晶體入手。與Chapman研究組聯(lián)手,，Scripps Research研究所Raymond Stevens,、Qing Chai和Joseph Arndt得到毒素附著的、帶有突觸結(jié)合蛋白II識(shí)別區(qū)域的全長(zhǎng)BoNT/B結(jié)構(gòu),。同時(shí),，Brunger小組中，第一作者Rongsheng Jin（金榮勝,，音義）與德國(guó)Medizinische Hochshule Hannover的Thomas Binz和Andreas Rummel合作,，得到BoNT/B受體結(jié)合區(qū)域與突觸結(jié)合蛋白II識(shí)別區(qū)域組成的復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)，使復(fù)合體的清晰度更進(jìn)一步。
兩支研究小組都利用X射線結(jié)晶學(xué)分析toxin-domain complex復(fù)合體的結(jié)構(gòu),。X射線結(jié)晶學(xué)中,，蛋白晶體被X射線攻擊，X射線穿過,、試探晶體中的原子后留下的衍射圖,，可用于分析、確定蛋白的三維結(jié)構(gòu),。
兩支研究小組幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn),，毒素用分子臂緊密環(huán)抱其受體。毒素誘導(dǎo)突觸結(jié)合蛋白形成一個(gè)螺旋,，恰好可以填充在毒素分子上的凹槽中,。兩支小組都證明他們可以通過引入突變體破壞結(jié)合，永久性地改變突觸結(jié)合蛋白受體的形狀,。
Brunger小組發(fā)現(xiàn),，改變毒素結(jié)合位點(diǎn)處的一個(gè)氨基酸，毒性顯著降低,。特別是,，小鼠橫隔膜培育出的突變神經(jīng)毒素，引發(fā)的肌肉麻痹比天然毒素引起的少很多,。
“這些提示我們可以設(shè)計(jì)一種小分子抑制劑,，有力破壞毒素和受體之間的相互作用，”Brunger說,，“這種抑制劑能夠有效解毒,，比現(xiàn)有藥物的副作用小的多。”了解毒素－受體結(jié)合細(xì)節(jié)有助于設(shè)計(jì)疫苗,。這種疫苗可能由毒素結(jié)合區(qū)域相映的蛋白片段組成,，以激發(fā)抗毒素抗體。
兩支小組還研究了毒素雙受體中神經(jīng)節(jié)苷脂結(jié)合位點(diǎn)的作用,。Brunger等發(fā)現(xiàn)盡管兩種受體都是毒素結(jié)合,、進(jìn)入神經(jīng)元所必需的，但蛋白和神經(jīng)節(jié)苷脂結(jié)合位點(diǎn)明顯不同,。
毒素與雙位點(diǎn)的結(jié)合面要比以前想象的寬許多,。Chapman說:“表面齒合地非常棒，毒素與膜緊密結(jié)合準(zhǔn)備進(jìn)入細(xì)胞,。專業(yè)點(diǎn)說,，了解毒素識(shí)別雙受體機(jī)制，有助于設(shè)計(jì)針對(duì)此識(shí)別步驟的小分子抑制劑,。”
Brunger和Chapman強(qiáng)調(diào),，這次關(guān)于毒素－受體結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)有助于毒素的臨床應(yīng)用,。注射毒素（商品名為Dysport），已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于美容除皺,。然而,，毒素還被用于治療偏頭痛，除眼袋等,。
