炭疽毒素

{{Infobox protein family
| Symbol = Anthrax-tox_M
| Name = 炭疽毒素致死因子中域
Anthrax toxin lethal factor middle domain
| image = PDB 1zxv EBI.jpg
| width =
| caption = 与小分子抑制剂bi-mfm3、3-{5-[5-(4-氯苯基)-呋喃-2-基亚甲基]-4-氧代-2-硫代-噻唑烷-3-基}-丙酸结合的炭疽致死因子的 X 射线晶体结构。
| Pfam = PF09156
| Pfam_clan =
| InterPro = IPR015239
| SMART =
| PROSITE =
| MEROPS =
| SCOP = 1j7n
| TCDB =
| OPM family = 35
| OPM protein =
| CAZy =
| CDD =
}}

的电子显微照片。]]
炭疽毒素（）是由炭疽杆菌（炭疽病的病原体）的毒性菌株分泌的三种蛋白质外毒素。这种毒素于1954年由首次发现。炭疽毒素由一种保护性抗原 (protective antigen，PA) 的细胞结合蛋白和两种酶成分：水肿因子 (edema factor，EF) 以及致死因子 (lethal factor，LF) 。这三种蛋白质成分共同作用，发挥其生理作用。组装后的含有毒素成分的复合物会被内吞。在胞内体中，毒素的酶促成分转移到靶细胞的细胞质中。一旦进入细胞质，毒素的酶促成分就会破坏各种免疫细胞功能，即细胞信号传导和细胞迁移。这种毒素甚至可能诱导细胞裂解，如在巨噬细胞中观察到的那样。炭疽毒素使细菌逃避免疫系统、增殖，并最终杀死宿主动物。对炭疽毒素的研究还为了解体的产生以及蛋白质靶向运输、孔形成、内吞作用和其他生化过程提供了见解。

炭疽芽孢杆菌毒力因子
炭疽病是由炭疽芽孢杆菌引起的疾病，炭疽芽孢杆菌是一种产芽孢的革兰氏阳性杆状细菌（图1）。该疾病的致死性是由细菌的两种主要毒力因子引起的：(i) 抗吞噬作用的聚谷氨酸荚膜，以及 (ii) 三部分蛋白毒素，称为炭疽毒素。炭疽毒素是三种蛋白质成分的混合物：(i) 保护性抗原 (PA)、(ii) 水肿因子 (EF) 和 (iii) 致死因子 (LF)。

作用机制
炭疽毒素是一种。每个单独的炭疽毒素蛋白都是无毒的。当将这些蛋白单独注射到实验动物体内时，不会观察到毒性症状。PA和EF共同注射会导致水肿，而PA和LF共同注射会导致死亡。前者的组合称为水肿毒素，后者的组合称为致死毒素。因此，无论哪种情况，生理症状的表现都需要PA。

在动物模型实验中观察到的PA需求证明了细菌毒素的一个常见范例，称为A／B范例。A组分具有酶活性，B组分是细胞结合组分。炭疽毒素为A2B形式，其中EF和LF两种酶是A组分，PA是B组分。PA是酶组分进入细胞所必需的。它通过形成跨越细胞膜的孔隙来实现这一点，从而使毒素进入，但其机制尚不完全清楚。一旦进入细胞质，它们就可能催化破坏正常细胞生理的反应。

炭疽毒素的组装和转运
炭疽毒素蛋白组分必须组装成全毒素复合物才能发挥作用。为了使LF和EF在靶细胞内发挥作用，它们必须定位到细胞内并进入细胞质。通过一系列步骤，PA可以将EF和LF转位到细胞内（图2）。当83kDa形式的PA（称为PA83）与炭疽毒素受体结合时，该过程就开始了。已知有两种同源受体与PA83结合，分别是肿瘤内皮标志物-8 () 和毛细血管形态发生蛋白2（）。然后，一个20kDa的片段（PA20）被弗林蛋白酶家族的膜内切酶从PA83的氨基末端切下。当PA20解离时，剩余的受体结合部分（称为PA63）可能组装成七聚体 或八聚体 环状低聚物／寡聚体。 这种环状低聚体通常被称为PA的前孔（或前通道）形式，因为在后续的通路中，它会变成转​​位酶孔（或通道）。PA20部分释放后暴露出的前孔寡聚体表面可以与LF和EF结合。 PA寡聚体的七聚体和八聚体形式可以分别与最多三或四个EF和／或LF分子结合。 细胞随后内吞这些组装好的复合物，并将它们运送到细胞内的酸性区域。内体中遇到的低pH值导致PA63前通道转变为阳离子选择性通道。EF和LF在pH梯度的作用下通过该通道，使酶因子进入胞质溶胶。

LF和EF的酶功能
一旦进入细胞质，EF和LF就会执行各自的损伤诱导过程。

• EF作为一种Ca2+ 和钙调蛋白依赖性的腺苷酸环化酶，可显著提高细胞内环腺苷酸（cAMP）的水平。cAMP的增加会扰乱水稳态，严重破坏细胞内信号通路的平衡，并损害巨噬细胞的功能，使细菌进一步逃避免疫系统的攻击。

• LF还能通过杀死巨噬细胞帮助细菌逃避免疫系统的攻击。进入巨噬细胞后，LF会作为一种 Zn2+依赖性的内切蛋白酶，剪断 (MAPKK) 的N端。这会抑制这些激酶，使其无法有效地与底物结合，从而导致信号通路改变，最终导致细胞凋亡。

因此，这三种蛋白质的协同作用通过一系列事件导致细胞死亡，这些事件使蛋白质进入细胞并破坏细胞功能。

细胞外毒素结构-功能关系
炭疽毒素的作用机制是三种毒素蛋白的分子结构与宿主细胞的生物分子结合的结果。通过对PA、EF、LF及其细胞受体（ANTXR1和ANTXR2）的结构进行详细分析，可以清楚地看出这些分子之间的相互作用。毒素分子（图3-5）、受体及其复合物的结构均有助于深入了解这些蛋白质的协同作用。结合位点和构象变化的分析补充了结构研究，阐明了PA、LF和EF各结构域的功能，如表1所示。

PA的结构首先被确定（图3）。 这种结构及其细胞受体的结构为识别和结合的特异性提供了很大启示。 PA与受体CMG2（类似于I型整合素）的这种特异性源于它们通过金属离子依赖性粘附位点 (MIDAS)、疏水沟和突起相互作用。这些相互作用共同导致了紧密的相互作用，CMG2（和TEM8）上的大量蛋白质表面积被掩埋。

功能区图]]
佩托萨（Petosa）等人解析了4.5Å (0.45 nm) 的PA63七聚体的结构。 前约36个残基几乎完全同源，前约250个残基的三级结构相似。 对LF和EF结合区域的研究表明，在七聚体构象下，较大的表面积与两个相邻PA63分子的结构域1接触。 如此大的结合面积解释了为什么先前的研究只能在PA63七聚体上结合最多三个分子。PA八聚体与N端LF复合物的共晶结构表明，结合相互作用实际上是两个不连续的位点。 LF/EF结合位点目前正被用于通过融合蛋白传递治疗剂。

在前孔形成并附着LF和/或EF后，七聚体迁移至脂筏，并在那里被快速内吞。内吞作用是一系列事件的结果。首先，CMG2或TEM8被棕榈酰化，从而抑制受体与脂筏的结合。这抑制了受体在PA83被裂解以及LF或EF与七聚体结合之前被内吞。当PA63与受体结合并发生七聚化时，受体与富含胆固醇和糖鞘脂的微区（脂筏）重新结合。一旦受体和PA返回脂筏，E3泛素连接酶Cb1就会泛素化受体的胞质尾部，向受体及其相关毒素蛋白发出内吞信号。 这种内吞作用需要缢断蛋白和Eps15，这表明炭疽毒素通过网格蛋白依赖性途径进入细胞。

如上所述，每个分子都会与其他几个分子相互作用，以诱导炭疽毒素的内吞作用。一旦进入细胞，复合物就会被转移到一个酸性隔室中，在那里，仍然处于非跨膜前孔构象的七聚体为EF和LF的转运做好准备，使其能够进入细胞质。

从囊泡到细胞质的结构-功能关系
孔隙形成
乍一看，PA的一级序列看起来不像跨膜蛋白。疏水性图缺乏任何可能跨膜结构域共有的模式。其他多聚体膜蛋白（例如）的结构解释了PA是如何跨膜的。人们认为PA的作用类似于这些多聚体膜蛋白，它们由每个单体的极性和非极性氨基酸片段构成β桶。

参考文献
外部链接

• [http://www.rcsb.org/pdb/101/motm.do?momID=28 2012年4月“月度分子”]

*