Cell | 董民团队发现介导破伤风毒素入侵中枢神经系统的宿主受体

研究破伤风毒素如何从外周肌肉沿神经进入脊髓，并在运输途中避免提前发挥毒性？这一问题长期困扰着神经毒素研究领域。

2026年10月13日，哈佛医学院附属波士顿儿童医院董民实验室牵头的合作团队，在Cell杂志上发表了文章PTPRS mediates invasion of tetanus neurotoxin into the central nervous system，发现介导这一过程的关键宿主受体——受体型蛋白酪氨酸磷酸酶σ（PTPRS，又称PTPσ），并揭示PTPRS如何参与毒素的逆向运输，并为暴露后干预提供新线索。

研究发现，识别PTPRS的并非破伤风毒素传统的受体结合结构域，而是其轻链与转位结构域组成的区域。PTPRS与毒素结合，不仅参与毒素沿运动神经元向脊髓的逆向运输，还可能抑制其在途中发生跨膜转位。在小鼠模型中，运动神经元特异性敲除PTPRS可阻断毒素引起的痉挛性瘫痪；一个失去PTPRS结合能力的毒素突变体则引发了肉毒中毒样的松弛性瘫痪。这些结果为理解破伤风毒素的运输路径及致病机制提供了关键证据。

一种古老疾病留下的现代问题

破伤风是一种历史悠久的疾病，其典型表现是肌肉强直和痉挛。早在古希腊时期，希波克拉底就曾记录相关症状。2023年，董民实验室与Andrew C. Doxey实验室合作，从一具约6000年前的智利木乃伊样本的DNA数据中鉴定出破伤风毒素变体序列，并发现相应变体可在小鼠中引起与现代破伤风毒素相似的瘫痪表型【1】。

历史图像：1809, 查尔斯·贝尔绘制的破伤风患者图。

破伤风毒素与肉毒毒素具有相似的结构和作用方式，却造成截然不同的症状。肉毒毒素主要在神经肌肉接头阻断运动神经元的递质释放，引起松弛性瘫痪；破伤风毒素则沿运动神经元逆向运输至脊髓，随后作用于抑制性神经元，削弱对运动神经元的抑制，最终引起痉挛性瘫痪【2】。自从认识到破伤风毒素能够沿神经传播以来【3】，究竟是什么宿主因子决定其运输路径，始终是一个核心问题。

从全长毒素出发寻找运输受体

以往对破伤风毒素宿主因子的研究，主要集中在其受体结合结构域HC/T。该区域能够识别神经节苷脂和突触囊泡蛋白SV2，但这些相互作用不足以完整解释毒素进入中枢神经系统的能力。早期研究发现，全长毒素进入脊髓的效率明显高于单独的HC片段【4】；将A型肉毒毒素的受体结合结构域替换为HC/T，所得嵌合毒素在小鼠中仍引起松弛性瘫痪【5】。这些线索提示，决定毒素运输路径的关键作用位点，可能还存在于HC/T之外。

研究团队因此采用失去催化活性的全长破伤风毒素作为诱饵，通过小鼠脑组织裂解液的亲和富集与比较质谱分析，寻找相较于HC/T对照更显著富集的宿主蛋白。PTPRS及其同源蛋白PTPRD成为最突出的候选。后续体外结合和细胞实验进一步证实，两者均可直接结合毒素，而同家族成员PTPRF未表现出相应结合。

小鼠遗传学实验进一步明确了PTPRS的体内作用。研究者结合诱导性条件敲除、独立的全身敲除品系和细胞类型特异性敲除模型发现，缺失PTPRS可显著降低或阻断实验条件下的毒素作用，而PTPRD与PTPRF双敲除未产生类似保护。尤其是，仅在运动神经元中敲除PTPRS，就足以阻断所测试条件下的痉挛性瘫痪；在抑制性神经元中敲除PTPRS，则未观察到相同效应。

既参与运输又抑制提前转位

PTPRS是否负责毒素最初与运动神经末梢的结合？研究结果并不支持这一解释。在体内竞争结合实验及离体神经肌肉接头实验中，干扰PTPRS与毒素的相互作用或敲除PTPRS，并未明显降低毒素与神经末梢的结合。这提示，PTPRS的关键作用更可能发生在毒素进入细胞之后。

内吞体的酸性环境为这一过程提供了线索。以PTPRS的内源性结合伙伴TrkC为例，研究者发现，酸化可削弱TrkC与PTPRS的结合，而破伤风毒素在相应酸性条件下仍能与PTPRS保持较强结合。这提示，内吞后的环境变化可能使PTPRS释放原有结合伙伴，并为毒素结合创造条件。

PTPRS还可能帮助毒素避免在运动神经元内提前发生跨膜转位。脂质体实验显示，PTPRS可抑制破伤风毒素诱导的染料泄漏，且抑制程度随其浓度增加而增强；对A型肉毒毒素则未观察到类似作用。这一结果支持PTPRS结合能够抑制毒素膜穿透的解释。进一步酸化后，受体与毒素的结合减弱，相应的抑制作用也随之降低，为毒素随后如何在抑制性神经元中发挥作用提供了可能的机制。

图一 破伤风毒素运输与作用的拟议模型。PTPRS可能在内吞后结合毒素，抑制其提前转位，并参与向脊髓的逆向运输。复合物在运动神经元胞体表面的释放，以及进入抑制性神经元后的分选、解离和转位过程，仍有待进一步验证。

追踪体内运输并探索暴露后干预

为定量追踪低剂量毒素在体内的运输，团队开发了基于NanoLuc荧光素酶的检测方法。通过将其与催化失活的毒素融合，研究者能够灵敏地检测坐骨神经及腰段脊髓中的毒素信号。结合竞争性阻断与遗传学实验，这一方法进一步证实，PTPRS是破伤风毒素沿运动神经元逆向运输的关键宿主因子。

研究还发现，靶向PTPRS的抗体可沿这一通路进入脊髓，提示PTPRS不仅参与毒素运输，也可能携带其他结合伙伴。在细胞实验中，研究者获得了PTPRS与毒素复合物可通过ADAM家族蛋白酶相关机制从细胞表面脱落的证据。据此，他们提出：毒素到达脊髓后，可能随PTPRS胞外区域一同释放，进而转向抑制性神经元。

这一模型也带来了干预思路。研究团队在小鼠接触毒素后给予鞘内抗PTPRS抗体，观察到痉挛症状减轻。这一结果支持在暴露后靶向宿主运输通路的可行性。

结构揭示毒素如何结合受体

为理解毒素与受体的识别方式，团队解析了破伤风毒素轻链—转位结构域与PTPRD免疫球蛋白样结构域的复合物晶体结构，分辨率为2.98 Å。结构中清晰解析的Ig1和Ig2呈V字形，从两个界面结合毒素：界面I位于Ig1与转位结构域HN的“腰带”区域之间，界面II位于Ig2与毒素轻链LC之间。

PTPRS与PTPRD的对应界面具有较高保守性，相关突变实验进一步支持了这一识别模式。结构比较还显示，毒素结合区域与这一受体家族识别部分内源性配体的区域存在重叠，提示毒素利用了宿主受体原有的蛋白相互作用表面。

图二 毒素与PTPRD的结构识别基础。Ig1和Ig2共同结合毒素的LC–HN区域；界面I以蓝色标示，位于Ig1与HN腰带区之间；界面II以品红色标示，位于Ig2与LC之间。

研究者根据结构信息构建了削弱PTPRS结合的毒素突变体m13和m20。两者仍可结合神经肌肉接头，但向脊髓的逆向运输明显受损。对保留催化活性的m13，即Tm13，进一步开展的培养神经元实验显示，其仍具有切割底物VAMP2的能力，说明运输缺陷不能简单归因于毒素整体功能丧失。

更直观的证据来自动物表型。在所测试条件下，野生型破伤风毒素引起痉挛性瘫痪，而Tm13引起肉毒中毒样的松弛性瘫痪。这表明，改变毒素与运输受体的相互作用，即可改变其在体内引起的瘫痪表型，从而将宿主受体识别、神经运输路径与疾病表现联系起来。

从致病机制走向新的研究方向

这项研究将PTPRS确立为介导破伤风毒素沿运动神经元逆向运输的关键宿主受体，并为解释毒素为何能够抵达中枢神经系统提供了分子依据。其意义不仅在于理解破伤风，也在于揭示了一条可供进一步探索的神经运输通路：一方面，靶向该通路可能为毒素暴露后的干预提供新策略；另一方面，PTPRS介导结合伙伴进入脊髓的能力，也为中枢神经系统药物递送提供了潜在的新运输通路。

作者同时指出，完整模型仍有若干环节需要验证，包括PTPRS在神经元中的跨胞转运与胞外区域脱落、其磷酸酶活性是否参与运输分选，以及毒素进入抑制性神经元后的具体去向。相关治疗和递送策略的有效性、安全性及适用范围，也需要进一步研究。

研究概览 PTPRS的鉴定、遗传学验证、运输检测、结构分析及暴露后干预探索。

哈佛医学院波士顿儿童医院的陈鹏晟博士和王欢博士为该文章共同第一作者，哈佛医学院波士顿儿童医院董民教授为通讯作者。其他作者包括董民实验室的John Manion博士（哈佛医学院波士顿儿童医院、匹兹堡大学医学院）、Junjie Liang、Aisha Mohammed、Leo Zhao、张洁博士、王元凯博士、王康博士和Pyung-Gang Lee博士，波士顿儿童医院及霍华德·休斯医学研究所的Jonas Zähringer博士和Taekjip Ha教授，斯德哥尔摩大学的Geoffrey Masuyer博士和Pål Stenmark教授，以及西北大学Feinberg医学院的Karla J. F. Satchell教授和Joseph S. Brunzelle博士。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)01128-1

制版人： 十一

参考文献

1. Hodgins, H. P. et al. Ancient Clostridium DNA and variants of tetanus neurotoxins associated with human archaeological remains.Nat Commun14, 5475, doi:10.1038/s41467-023-41174-0 (2023).

2. Dong, M., Masuyer, G. & Stenmark, P. Botulinum and Tetanus Neurotoxins.Annu Rev Biochem88, 811-837, doi:10.1146/annurev-biochem-013118-111654 (2019).

3. Meyer, H. & Ransom, F. Untersuchungen über den Tetanus. Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie 49, 369-445, doi:10.1007/BF01824935 (1903).

4. Weller, U., Taylor, C. F. & Habermann, E. Quantitative comparison between tetanus toxin, some fragments and toxoid for binding and axonal transport in the rat.Toxicon24, 1055-1063, doi:10.1016/0041-0101(86)90132-7 (1986).

5. Wang, J. et al. Novel chimeras of botulinum and tetanus neurotoxins yield insights into their distinct sites of neuroparalysis.FASEB J26, 5035-5048, doi:10.1096/fj.12-210112 (2012).

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

推荐直播

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！