Толстая кишка человека заселена триллионами бактерий, которые играют важную роль в поддержании здоровья и развитии заболеваний.
Еще со времени проведения знакового исследования 2009 года ученые знали, что распространенная кишечная бактерия Bacteroides fragilis способствует образованию опухолей в толстой кишке, путем выделения токсина, повреждающего слизистую оболочку толстой кишки, что может привести к колоректальному раку. Однако до сих пор точный механизм, с помощью которого токсин проникает в эти клетки, оставался загадкой. Недавно группа ученых, чье исследование, опубликовано в журнале Nature, показала, что энтеротоксигенные Bacteroides fragilis, способствуют образованию опухолей толстой кишки за счет действия единственного токсина — токсина B. fragilis (BFT). BFT представляет собой металлопротеазу, которая связывается с рецептором клаудином-4, что приводит к нарушению эпителиального барьера, воспалению и усилению клеточной пролиферации.
«На протяжении долгого времени мы предпринимали несколько попыток идентифицировать этот рецептор», — рассказал руководитель исследования Максвелл Уайт. «Понимание того, как действуют бактериальные токсины, может открыть путь к новым подходам к выявлению и лечению связанных с ними заболеваний, включая диарею, колоректальный рак и инфекции кровотока». Фактически, это открытие уже привело к разработке молекулярной приманки, которая успешно блокировала действие токсина на животных моделях, предлагая потенциальную стратегию предотвращения повреждения толстой кишки B. fragilis.
B. fragilis обнаруживается у до 20% здоровых людей и обладает способностью вызывать сильное воспаление толстой кишки и образование опухолей. Предыдущие исследования лаборатории Уайта показали, что BFT вызывает хроническое воспаление в кишечнике, расщепляя E-кадхерин — белок, необходимый для поддержания защитного барьера толстой кишки. В своей более ранней работе Уайт и коллеги также продемонстрировали, что действие BFT приводит к образованию опухолей толстой кишки. Однако BFT, по-видимому, не прикреплялся непосредственно к E-кадхерину и в действие вступал какой-то другой, трудноуловимый механизм. Выявление этого механизма началось с геномного скрининга с использованием CRISPR. Систематически заглушая гены в эпителиальных клетках толстой кишки, Уайт и коллеги определили клаудин-4 в качестве связующего звена. Когда исследователи отключили клаудин-4, токсин BFT не смог связаться с клетками, оставив мишень E-кадхерина нетронутой. «Потребовалось некоторое время, чтобы подтвердить правильность подхода, но как только мы смогли провести скрининг, клаудин-4 оказался явным и убедительным лидером», — рассказал Уайт. «Это был волнующий момент».
Идентификация этого рецептора стала сюрпризом, поскольку ожидалось, что рецептором будет сигнальный белок, такой как G-сцепленный белковый рецептор, которым клаудин-4 не является. При обзоре литературы ученые не смогли найти ни одного другого токсина, действующего подобным образом, поскольку большинство протеаз направляются прямо к своим мишеням, а не связываются сначала с отдельным рецептором. Чтобы подтвердить, что токсин и рецептор физически связываются друг с другом, Уайт и сотрудники продемонстрировали in vitro, что BFT и клаудин-4 образуют плотный комплекс, предоставив первое физическое доказательство связывающего взаимодействия.
Затем исследование перешло на живые системы и исследователи смогли оценить поведение токсина в сложной среде кишечника с использованием моделей на мышах. Создав в качестве ловушки для клаудина-4 растворимый белок, содержащий последовательности клаудина-4, ученые попытались предотвратить связывание токсина с клетками толстой кишки. Действительно, BFT связывался с ловушками вместо рецептора. Эта стратегия успешно защитила мышей от повреждений, вызванных BFT. «Этот подход можно повторить с использованием малых молекул или других биологических препаратов, обладающих лучшими фармакологическими свойствами», — говорит Уайт. Сейчас он изучает, какие молекулярные подходы могут оказаться наиболее успешными для блокирования токсина.
Исследователи отмечают, что одна часть головоломки остается нерешенной: хотя исследователи идентифицировали рецептор и доказали связывание, точная экспериментальная структура взаимодействия между BFT и клаудином-4 еще не установлена. Существующие инструменты моделирования на базе искусственного интеллекта, такие как AlphaFold, пока не смогли полностью раскрыть это взаимодействие.
