Nature丨Claudin-4為促癌蛋白脆弱擬桿菌毒素的受體

由約翰霍普金斯大學 辛西婭· L ·西爾斯 實驗室，哈佛醫學院波士頓兒童醫院董民實驗室，哈佛醫學院 布萊根婦女醫院 馬修· K ·沃爾多 實驗室以及西班牙國家研究委員會 F. 哈維爾 · 戈米斯 - 魯特 實驗室的合作團隊在Nature雜志發表了題為A pro-carcinogenic bacterial toxin binds claudin-4 to cleave E-cadherin的文章【1】。該工作鑒定了Claudin-4為重要的促癌蛋白脆弱擬桿菌毒素（ B. fragilis toxin ,BFT）的受體，阻斷BFT與Claudin-4相互作用能夠抑制BFT對底物E-cadherin的切割，逆轉BFT在小鼠體內引起的組織損傷，這為治療由脆弱擬桿菌所引起的腹瀉和結直腸癌提供了新的潛在治療研究靶點。

越來越多的研究表明，部分腸道微生物參與了結直腸癌的發展【2】。 脆弱擬桿菌（ Bacteroides fragilis ）是一種普遍存在于 人類 結腸中的細菌， 根據是否分泌 BFT 可分為無毒脆弱擬桿菌和產腸毒素脆弱擬桿菌 （ enterotoxigenic B. fragilis ， ETBF) ， 其中 其產毒菌株與人類結直腸腫瘤的流行病學相關 ，且 能夠驅動易感小鼠的結腸腫瘤發生 。 產毒脆弱擬桿菌 誘導的結腸腫瘤發生依賴于一種約 21 kDa 的金屬蛋白酶 ——脆弱擬桿菌毒素（BFT） ， 該毒素會破壞結腸上皮屏障并觸發促癌的黏膜 Th17 免疫反應【3】。 BFT 對結腸上皮細胞的毒性特征是毒素與一種未知的細胞表面受體結合，并迅速切割 E- Cadherin 胞外結構域 ，隨后激活 Wnt /β-catenin 和 NF- κB 信號通路 并促進細胞增殖【4】。 BFT 與哺乳動物 a- disintegrin -and-metalloproteinase enzymes （ ADAMs ） 具有顯著的同源性，然而 ADAMs 能夠直接切割 E- Cadherin 并釋放 約 80 kDa 的可溶性片段 ， BFT 卻不能直接切割重組純化的 E-cadherin ，這暗示 BFT 對 E-Cadherin 的切割依賴于某些上皮細胞組分。 這一觀察以及毒素與上皮細胞的結合依賴于尚未鑒定受體的實驗結果，共同提示 BFT 的毒性效應可能依賴于與宿主之間的多步相互作用。然而，該模型的具體分子機制仍有待進一步闡 明。 由于 ETBF 可在高達 20% 的健康個體中檢測到 ，并且與結直腸腫瘤密切相關 ， 更詳細地了解 BFT 毒性的初始分子事件對于制定預防和治療 ETBF 相關疾病的策略至關重要。

為了尋找介導 BFT 毒害上皮細胞的宿主因素，作者以BFT孵育后細胞表面的E-Cadherin切割水平作為讀值進行了全基因組CRISPR敲除(KO)篩選。兩輪篩選顯示， 緊密連接蛋白 C laudin-4 是最顯著的 結果 ， 也包括 最接近的同源蛋白 C laudin-3 。隨后，作者在 多種 細胞系中分別敲除 Claudin-3 （ C3-KO ） 和 Claudin-4 (C4-KO) 對篩選結果進行驗證。 結果顯示，單獨敲除 Claudin-4 而非 Claudin-3 使細胞系對 BFT 介導的 E-Cadherin 切割和上皮屏障破壞具有抵抗性，而 Claudin-3 和 Claudin-4 雙敲除能夠進一步增強對 BFT 的抵抗。 因此，claudin-4對于BFT毒性至關重要，而claudin-3可以在claudin-4缺失的情況下部分補償其功能。

圖一 Claudin-4 介導 BFT 對 E-cadherin 的切割

為了驗證 Claudin-4 是否為 BFT 的受體，作者檢測了 Claudin-3 ， Claudin-4 是否介導 BFT 的宿主細胞結合。 Claudin-4 而非 Claudin-3 敲除完全阻斷了 BFT 與宿主細胞的結合， 而在 Claudin-4 敲除細胞系或不表達 Claudin-4 的細胞系中過表達 Claudin-4 則可重建 BFT 的細胞表面結合。 這些結果有力地支持了 C laudin-4 是 BFT 受體的結論。

Claudin-4 是四次跨膜蛋白，其 N 端和 C 端位于胞質側，并具有兩個胞外結構域 ECS1 和 ECS2 。通過表達不同的 嵌合 突變，作者發現 Claudin-4 的 ECS1 對于介導 E-cadherin 的切割至關重要，將這一結構域替換為 Claudin-3 的 ECS1 會 顯著抑制 BFT 對 E-cadherin 的切割。 此外， ECS2 的替換僅表現出較小程度的抑制。 鑒于 C laudin-4 的 ECS1 序列與 C laudin-3 僅有三個氨基酸差異（ T33S 、 V41I 和 T45N ） ，作者進一步生成了包含這三處點突變的 C laudin-4 。 T45N 的單氨基酸突變 完全消除了 BFT 與宿主細胞的 結合，并將 BFT 介導的 E-cadherin 切割降低到與表達 Claudin-3 水平相當的程度 。 這些數據支持 ECS1 和 ECS2 序列均參與 BFT 結合和 E-cadherin 切割，其中 ECS1 中的 T45 殘基發揮著尤為關鍵的作用。 ECS2 序列的作用可能取決于 claudin 可及性的調節。

最后，作者利用小鼠模型證實了可溶性 Claudin-4 能夠在體內有效阻止 BFT 所引起的結腸上皮細胞脫落以及水腫，并 逆轉 BFT 所引起的結腸上皮中 E-Cadherin 缺失。

這一工作 發現和 證明了 claudin-4 是 BFT 的受體，它能夠促進質膜上 E- 鈣黏蛋白的裂解，這是 BFT 毒性的起始事件，最終導致結腸上皮屏障破壞、炎癥和腫瘤發生。關于 BFT 的作用機制仍存在諸多疑問 ，例如 BFT 如何繞過緊密連接從而作用于基底測的 E-cadherin ，以及除了 Claudin-4 外，是否還有其他 宿主細胞分子作為 BFT 受體或輔助受體的可能性 。 BFT 在乳腺癌細胞中激活了 Notch 信號通路，這表明 BFT 與 ADAM10 類似，可能會切割其他細胞表面蛋白，而這些蛋白在毒性和腫瘤發生中的作用尚未被發現。

發現BFT的受體不僅闡明了BFT的作用機制，也驗證了通過阻斷claudin結合來減輕BFT的有害效應，為抗BFT治療提供新的靶點和策略，有助于結直腸癌的預防以及急性ETBF感染的治療方法的開發。

約翰霍普金斯大學的麥克斯韋 · T · 懷特博士和哈佛醫學院波士頓兒童醫院的王康博士為該文章的共同第一作者。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10375-0

制版人： 十一

參考文獻

1. White M T, Wang K, Zhang H, et al. A pro-carcinogenic bacterial toxin binds claudin-4 to cleave E-cadherin[J].Nature, 2026: 1-9.

2.White M T, Sears C L. The microbial landscape of colorectal cancer[J].Nature Reviews Microbiology, 2024, 22(4): 240-254.

3.Chung L, Orberg E T, Geis A L, et al. Bacteroides fragilis toxin coordinates a pro-carcinogenic inflammatory cascade via targeting of colonic epithelial cells[J].Cell host & microbe, 2018, 23(2): 203-214. e5.

4. Wu S, Shin J, Zhang G, et al. The Bacteroides fragilis toxin binds to a specific intestinal epithelial cell receptor[J].Infection and immunity, 2006, 74(9): 5382-5390.

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