【Advanced Science】甘肃省重大科技专项-兰州大学王东升团队肉毒毒素工程优化改造取得重要进展

导读

近日，兰州大学药学院、稀有同位素前沿科学中心王东升教授团队承担的甘肃省重大科技专项-A型肉毒毒素工程化优化改造项目取得重要进展。团队解析出2.8埃分辨率的A型肉毒毒素冷冻电镜结构，并基于处于open 活性状态的冷冻电镜结构进行蛋白工程改造，通过提高毒素与受体SV2C蛋白的亲和力，优化其治疗效果与安全性。该研究成果发表在国际TOP期刊 Advanced Science《先进科学》（2025年影响因子14.1，中科院SCI一区Top期刊，https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202516713）。

一、传统肉毒毒素扩散毒性

A型肉毒杆菌神经毒素（BoNT/A）已被广泛用于治疗神经系统疾病以及美学相关疾病。然而，传统A型肉毒毒素与其受体SV2C蛋白之间的结合亲和力不足可能导致轻度以至严重的副作用。一般来说，大多数局部不良反应短暂且可控，少见系统性并发症，但过量使用引起的非特异性弥散可能危及生命。由注射点扩散引起的副作用会影响毒素治疗的整体效果，在高剂量毒素应用时尤为明显，因此减少弥散度及降低药物使用剂量是提升肉毒毒素药物益处/风险比的首选策略——该研究通过蛋白工程改造提高A型肉毒毒素与其受体SV2蛋白的结合亲和力，通过解决非特异毒素扩散问题减少注射剂量从而提升治疗效果。

二、A型肉毒毒素冷冻电镜结构解析

研究团队应用冷冻电镜技术在生理pH 7.4条件下解析了全长A型肉毒毒素的开放构象（分辨率~2.85 Å）和半闭合构象（分辨率~2.80 Å），确定了能够与受体蛋白结合的开放构象是活性肉毒毒素的存在形式。

来源于文中Figure 1&2

三、A型肉毒毒素蛋白工程改造

研究团队以冷冻电镜解析的活性肉毒毒素结构为依据，通过ScanNet预测结合概率，鉴定出毒素重链结合域（Hc/A）与SV2C相互作用的关键残基S1142、M1144、T1146等位点，以此设计饱和突变文库，通过细菌腺苷酸环化酶双杂交（BACTH）系统筛选出亲和力提升的工程化突变体VLTS。

来源于文中Figure 3

四、工程化A型肉毒毒素VLTS与受体亲和力及活性提高3倍以上

相比于传统A型肉毒毒素，工程化改造后A型肉毒毒素VLTS与其受体SV2C结合亲和力显著提升，与细胞结合能力（Neuro-2a细胞, 原代神经元细胞）和SNAP25蛋白酶切效率（原代神经元细胞）增强3倍以上，使得毒素更快、更高效地靶向神经末梢。

来源于文中Figure 4&5

五、非特异性扩散降低、治疗效果提高

PET/CT显像的动物局部肌肉注射毒素试验、具有临床相关性的DAS疗效测试以及淀粉-碘化钾汗腺分泌效果测试均显示，工程化改造的BoNT/A-VLTS更加显著集中于注射部位，具有较小的弥散度，从而在药效提高的基础上降低了传统毒素致死性及副作用，具有更广阔的临床应用潜力。

来源于文中Figure 6

本研究兰州大学为第一完成单位，兰州大学药学院、稀有同位素前沿科学中心博士研究生王文瑞及物理科学与技术学院硕士研究生扎西泽让和兰州大学药学院硕士研究生尤林锦为本文共同第一作者，兰州大学药学院、稀有同位素前沿科学中心王东升教授、支德娟教授以及兰州大学物理学院雷东升教授为本文通讯作者。甘肃省是中国肉毒毒素科学研究和药物生产的策源地，本研究是甘肃省重大科技专项立项课题，同时也得到了国家自然科学基金以及中国生物-兰州生物-兰州大学神经疾病药物联合研究中心的大力支持。