【Advanced Science】甘肅省重大科技專項-蘭州大學王東升團隊肉毒毒素工程優化改造取得重要進展

導讀

近日，蘭州大學藥學院、稀有同位素前沿科學中心王東升教授團隊承擔的甘肅省重大科技專項-A型肉毒毒素工程化優化改造項目取得重要進展。團隊解析出2.8埃分辨率的A型肉毒毒素冷凍電鏡結構，并基于處于open 活性狀態的冷凍電鏡結構進行蛋白工程改造，通過提高毒素與受體SV2C蛋白的親和力，優化其治療效果與安全性。該研究成果發表在國際TOP期刊 Advanced Science《先進科學》（2025年影響因子14.1，中科院SCI一區Top期刊，https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202516713）。

一、傳統肉毒毒素擴散毒性

A型肉毒桿菌神經毒素（BoNT/A）已被廣泛用于治療神經系統疾病以及美學相關疾病。然而，傳統A型肉毒毒素與其受體SV2C蛋白之間的結合親和力不足可能導致輕度以至嚴重的副作用。一般來說，大多數局部不良反應短暫且可控，少見系統性并發癥，但過量使用引起的非特異性彌散可能危及生命。由注射點擴散引起的副作用會影響毒素治療的整體效果，在高劑量毒素應用時尤為明顯，因此減少彌散度及降低藥物使用劑量是提升肉毒毒素藥物益處/風險比的首選策略——該研究通過蛋白工程改造提高A型肉毒毒素與其受體SV2蛋白的結合親和力，通過解決非特異毒素擴散問題減少注射劑量從而提升治療效果。

二、A型肉毒毒素冷凍電鏡結構解析

研究團隊應用冷凍電鏡技術在生理pH 7.4條件下解析了全長A型肉毒毒素的開放構象（分辨率~2.85 ?）和半閉合構象（分辨率~2.80 ?），確定了能夠與受體蛋白結合的開放構象是活性肉毒毒素的存在形式。

來源于文中Figure 1&2

三、A型肉毒毒素蛋白工程改造

研究團隊以冷凍電鏡解析的活性肉毒毒素結構為依據，通過ScanNet預測結合概率，鑒定出毒素重鏈結合域（Hc/A）與SV2C相互作用的關鍵殘基S1142、M1144、T1146等位點，以此設計飽和突變文庫，通過細菌腺苷酸環化酶雙雜交（BACTH）系統篩選出親和力提升的工程化突變體VLTS。

來源于文中Figure 3

四、工程化A型肉毒毒素VLTS與受體親和力及活性提高3倍以上

相比于傳統A型肉毒毒素，工程化改造后A型肉毒毒素VLTS與其受體SV2C結合親和力顯著提升，與細胞結合能力（Neuro-2a細胞, 原代神經元細胞）和SNAP25蛋白酶切效率（原代神經元細胞）增強3倍以上，使得毒素更快、更高效地靶向神經末梢。

來源于文中Figure 4&5

五、非特異性擴散降低、治療效果提高

PET/CT顯像的動物局部肌肉注射毒素試驗、具有臨床相關性的DAS療效測試以及淀粉-碘化鉀汗腺分泌效果測試均顯示，工程化改造的BoNT/A-VLTS更加顯著集中于注射部位，具有較小的彌散度，從而在藥效提高的基礎上降低了傳統毒素致死性及副作用，具有更廣闊的臨床應用潛力。

來源于文中Figure 6

本研究蘭州大學為第一完成單位，蘭州大學藥學院、稀有同位素前沿科學中心博士研究生王文瑞及物理科學與技術學院碩士研究生扎西澤讓和蘭州大學藥學院碩士研究生尤林錦為本文共同第一作者，蘭州大學藥學院、稀有同位素前沿科學中心王東升教授、支德娟教授以及蘭州大學物理學院雷東升教授為本文通訊作者。甘肅省是中國肉毒毒素科學研究和藥物生產的策源地，本研究是甘肅省重大科技專項立項課題，同時也得到了國家自然科學基金以及中國生物-蘭州生物-蘭州大學神經疾病藥物聯合研究中心的大力支持。