百日咳毒素的生理功能、作用機(jī)制、應(yīng)用及常見使用問題
瀏覽次數(shù):237 發(fā)布日期:2025-11-17
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百日咳毒素(Pertussis Toxin, PTX),又稱胰島激活蛋白(Islet-Activating Protein),是由百日咳鮑特氏菌(Bordetella pertussis)產(chǎn)生的一種 AB5 型外毒素,因具有特異性靶向 G 蛋白、調(diào)控細(xì)胞信號(hào)通路的功能,成為細(xì)胞生物學(xué)研究及自身免疫疾病模型建立的關(guān)鍵科研工具,且僅用于科研場景(For research use only)。其作為百日咳鮑特氏菌的核心毒力因子,在細(xì)菌致病機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用,同時(shí)也是百日咳疫苗研發(fā)的重要靶點(diǎn)。
1. 來源與分子結(jié)構(gòu)
百日咳毒素來源于百日咳鮑特氏菌的代謝產(chǎn)物,經(jīng)純化后形成由6 個(gè)非共價(jià)結(jié)合亞基構(gòu)成的多元件蛋白復(fù)合物,總分子量約為 105kDa,各亞基分子量范圍約 9-28kDa,具體組成及功能如下:
亞基組成與比例:亞基分為 S1、S2、S3、S4、S5 五種,天然狀態(tài)下比例為 1:1:1:2:1(S4 亞基以 2 個(gè)拷貝存在);
功能分區(qū):
A 啟動(dòng)子(S1 亞基):作為復(fù)合物的活性核心,具備 NAD + 糖基水解酶與 ADP - 核糖基轉(zhuǎn)移酶活性,可將 NAD + 的 ADP 核糖基團(tuán)轉(zhuǎn)移至 Gαi、Gαo、Gαt 家族 G 蛋白的 α 亞基,直接調(diào)控 G 蛋白功能;
B 寡聚體(S2、S3、S4、S4、S5 亞基):負(fù)責(zé)毒素與細(xì)胞的結(jié)合及內(nèi)化,可識(shí)別細(xì)胞表面多種受體(如 TLR4、糖蛋白 Ib、GM1 神經(jīng)節(jié)苷脂、IL-2 受體等)的多糖殘基或鞘脂類分子,介導(dǎo)毒素通過受體依賴性內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞。
空間結(jié)構(gòu):結(jié)晶狀態(tài)下呈金字塔形,A 啟動(dòng)子位于頂端,中間層為 S5 亞基,底層由 S2-S4、S3-S4 兩個(gè)二聚體構(gòu)成,這種結(jié)構(gòu)保障了毒素的細(xì)胞靶向性與活性發(fā)揮。
2. 產(chǎn)品核心屬性
基于科研級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),百日咳毒素的核心屬性如下:
FAQ 1:該百日咳毒素凍干粉的保存期限是多久?復(fù)溶后還能保存嗎?
A:未復(fù)溶的凍干粉在4℃ 條件下可穩(wěn)定保存 2 年,需始終保持無菌真空包裝狀態(tài);復(fù)溶后的溶液仍需置于 4℃保存,有效期縮短至 6 個(gè)月。特別注意:無論是否復(fù)溶,均不可冷凍保存,冷凍會(huì)破壞毒素亞基結(jié)構(gòu),導(dǎo)致活性徹底喪失。部分研究級(jí)產(chǎn)品也有 - 80℃冷凍保存的規(guī)范,但需嚴(yán)格遵循具體產(chǎn)品說明,避免反復(fù)凍融。
FAQ 2:復(fù)溶百日咳毒素時(shí),應(yīng)該選擇什么溶劑?長期保存復(fù)溶后的溶液有特殊要求嗎?
A:初次復(fù)溶可使用無菌純化水或?qū)嶒?yàn)所需的無菌緩沖液(如常規(guī) PBS),復(fù)溶后需輕輕顛倒混勻使懸浮液均勻,嚴(yán)禁渦旋振蕩,避免 A 啟動(dòng)子與 B 寡聚體分離。若需長期保存復(fù)溶液,建議使用高離子強(qiáng)度緩沖液(如無菌 0.1M 磷酸鈉緩沖液,pH7.0,含 0.5M 氯化鈉),可顯著提升毒素穩(wěn)定性。此外,復(fù)溶后的溶液不可無菌過濾,過濾會(huì)導(dǎo)致毒素被截留,造成物料損失。
3. 生理功能與作用機(jī)制
百日咳毒素的核心功能是通過調(diào)控 G 蛋白信號(hào)通路,影響細(xì)胞生理活動(dòng)及宿主免疫反應(yīng),具體機(jī)制可分為三個(gè)關(guān)鍵步驟,其毒性作用與信號(hào)調(diào)控效應(yīng)密切相關(guān):
細(xì)胞結(jié)合與內(nèi)化:B 寡聚體識(shí)別并結(jié)合靶細(xì)胞表面受體,通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞,隨后經(jīng)胞內(nèi)體途徑及高爾基體復(fù)合物逆向轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng),部分研究顯示其也可通過內(nèi)吞小泡與溶酶體融合后釋放至胞質(zhì);
活性亞基釋放:在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或胞質(zhì)環(huán)境中,A 啟動(dòng)子從復(fù)合物中解離,進(jìn)入胞質(zhì)發(fā)揮催化作用;
G 蛋白修飾與信號(hào)調(diào)控:A 啟動(dòng)子對 G 蛋白(主要是 Gi/o 家族)進(jìn)行 ADP - 核糖基化修飾,導(dǎo)致 G 蛋白失活,進(jìn)而引發(fā)多重信號(hào)效應(yīng):
調(diào)控 cAMP 信號(hào)通路:破壞 Gi 蛋白對腺苷酸環(huán)化酶的抑制作用,導(dǎo)致胞內(nèi) cAMP 濃度異常升高,激活 PKA-CREB 信號(hào)軸,誘發(fā)炎癥反應(yīng);
干預(yù)免疫相關(guān)通路:激活 MAPK 途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖凋亡,激活 NF-κB 途徑誘導(dǎo)炎癥因子(IL-1β、IL-6、TNF-α 等)釋放,同時(shí)抑制巨噬細(xì)胞吞噬功能及 T 細(xì)胞活化,實(shí)現(xiàn)免疫逃逸;
損傷組織功能:破壞呼吸道上皮細(xì)胞纖毛運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致黏膜防御功能下降,這與百日咳患者的痙攣性咳嗽等癥狀直接相關(guān)。
從生物活性驗(yàn)證來看,該毒素在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出明確的活性特征:在 CHO(中國倉鼠卵巢)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中(參照 Hewlett et al. 方法),誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生簇聚生長模式所需的最低濃度約為 0.03ng/ml(具體數(shù)值因批次略有差異);在腺苷酸環(huán)化酶活性檢測中(參照 Wolff et al. 方法),含 1μM 鈣調(diào)蛋白的反應(yīng)體系中,其活性可達(dá) 9 皮摩爾 / 分鐘 / 微克(批次間存在正常波動(dòng))。
FAQ 3:產(chǎn)品標(biāo)注的 “>99% 純度” 是否包含無鹽特性?該純度標(biāo)準(zhǔn)如何保障實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性?
A:產(chǎn)品純度 > 99% 且明確標(biāo)注 “Salt-Free”(無鹽),二者是獨(dú)立且關(guān)鍵的質(zhì)量指標(biāo)。無鹽特性可避免鹽離子(如鈉離子、氯離子)對細(xì)胞實(shí)驗(yàn)(如 CHO 細(xì)胞簇聚形態(tài)觀察)或酶活性實(shí)驗(yàn)(如腺苷酸環(huán)化酶活性定量)產(chǎn)生非特異性干擾;>99% 的高純度則能排除雜蛋白對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,確保觀察到的細(xì)胞信號(hào)變化、動(dòng)物模型反應(yīng)均由百日咳毒素本身引起 —— 例如在 EAE 造模中,低純度毒素可能因含其他細(xì)菌蛋白導(dǎo)致免疫反應(yīng)紊亂,高純度則可保證模型建立的穩(wěn)定性與重復(fù)性。
FAQ 4:百日咳毒素誘導(dǎo)免疫抑制的具體表現(xiàn)有哪些?這一特性在科研中有何應(yīng)用價(jià)值?
A:其免疫抑制作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是抑制抗原呈遞細(xì)胞功能,阻礙 T 細(xì)胞活化;二是減少 B 細(xì)胞產(chǎn)生抗體,削弱體液免疫;三是抑制巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的吞噬殺傷能力,幫助百日咳鮑特氏菌逃避宿主清除。在科研中,這一特性可用于:
研究病原體免疫逃逸機(jī)制,解析細(xì)菌與宿主的相互作用網(wǎng)絡(luò);
建立免疫抑制相關(guān)疾病模型,探索免疫調(diào)節(jié)藥物的作用靶點(diǎn);
驗(yàn)證 G 蛋白信號(hào)通路在免疫細(xì)胞活化中的調(diào)控作用。
4. 主要應(yīng)用場景
基于其對 G 蛋白信號(hào)的調(diào)控作用及免疫激活特性,該毒素主要用于以下科研領(lǐng)域:
細(xì)胞信號(hào)通路研究:作為工具試劑,用于驗(yàn)證 Gi 家族 G 蛋白在信號(hào)通路中的功能 —— 通過加入百日咳毒素阻斷 Gi 信號(hào),觀察靶基因表達(dá)、酶活性(如腺苷酸環(huán)化酶)的變化,明確通路依賴關(guān)系。例如在研究激素信號(hào)傳導(dǎo)時(shí),可利用其阻斷 Gi 偶聯(lián)受體介導(dǎo)的抑制效應(yīng),精準(zhǔn)定位通路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);
自身免疫疾病模型建立:作為佐劑與 MOG(35-55)、PLP(139-151)等免疫肽聯(lián)合使用,誘導(dǎo)鼠類建立實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎(EAE)模型—— 該模型是研究多發(fā)性硬化癥(MS)的 “金標(biāo)準(zhǔn)”,可再現(xiàn)神經(jīng)炎癥、脫髓鞘等病理特征。其作用機(jī)制包括觸發(fā) IL-6 介導(dǎo)的信號(hào)級(jí)聯(lián)、激活 TLR4-Pyrin-IL-1β 通路,促進(jìn)白細(xì)胞浸潤血腦屏障,提升模型成功率;
疫苗與藥物研發(fā):作為百日咳疫苗的關(guān)鍵抗原成分,其中和表位(如 hu11E6、hu1B7 抗體結(jié)合位點(diǎn))的研究為新型疫苗設(shè)計(jì)提供依據(jù),可通過基因工程技術(shù)優(yōu)化疫苗的免疫原性與安全性。同時(shí),針對其毒性機(jī)制的研究也為開發(fā)百日咳治療藥物(如中和抗體)奠定基礎(chǔ)。
FAQ 5:使用百日咳毒素建立 EAE 模型時(shí),有哪些關(guān)鍵注意事項(xiàng)?
A:模型建立的成功率受多重因素影響,核心注意事項(xiàng)包括:
劑量控制:需根據(jù)小鼠品系、性別調(diào)整劑量,常規(guī)腹腔注射劑量約 20μg/kg,且每個(gè)批次需預(yù)實(shí)驗(yàn)確定最佳劑量;
使用時(shí)機(jī):通常在免疫后即刻及免疫后第 2 天分次注射,與弗氏完全佐劑協(xié)同增強(qiáng)免疫應(yīng)答;
機(jī)制關(guān)聯(lián):需確認(rèn)毒素活性完整性,因其誘導(dǎo) EAE 依賴 ADP 核糖基轉(zhuǎn)移酶活性及 Pyrin 蛋白激活,活性缺失會(huì)導(dǎo)致模型建立失敗;
動(dòng)物選擇:不同品系小鼠敏感性差異顯著,常用 C57BL/6 小鼠建立經(jīng)典模型。
FAQ 6:操作百日咳毒素時(shí)需注意哪些安全規(guī)范?
A:作為細(xì)菌外毒素,操作時(shí)需嚴(yán)格遵循生物安全規(guī)范:
防護(hù)措施:避免吸入粉塵或氣溶膠,操作時(shí)佩戴手套、口罩及護(hù)目鏡,操作后立即用肥皂和大量水清洗暴露皮膚;
廢棄物處理:剩余溶液及容器需按有害生物制劑規(guī)范,送至指定廢棄物處理場處置;
應(yīng)急處理:若不慎吸入或皮膚接觸后出現(xiàn)不適,需立即轉(zhuǎn)移至新鮮空氣處并及時(shí)就醫(yī);
儲(chǔ)存限制:需單獨(dú)存放于 4℃環(huán)境,遠(yuǎn)離食品、飲料及強(qiáng)氧化劑等物質(zhì),避免兒童接觸。
FAQ 7:該百日咳毒素能否用于人體相關(guān)實(shí)驗(yàn)或臨床研究?為什么產(chǎn)品說明中強(qiáng)調(diào) “For research use only”?
A:僅可用于科研實(shí)驗(yàn),禁止用于人體實(shí)驗(yàn)、臨床診斷或治療。原因有兩點(diǎn):一是百日咳毒素作為細(xì)菌外毒素具有生物毒性,直接作用于人體可能引發(fā)細(xì)胞損傷、免疫紊亂等風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致類百日咳癥狀;二是產(chǎn)品生產(chǎn)遵循科研級(jí)標(biāo)準(zhǔn),僅通過純度、活性驗(yàn)證,未經(jīng)過臨床應(yīng)用所需的安全性(如過敏反應(yīng)、毒性劑量)、無菌度(如無熱原)驗(yàn)證,不符合臨床使用規(guī)范,因此僅限實(shí)驗(yàn)室研究場景(如細(xì)胞培養(yǎng)、動(dòng)物模型)。
免責(zé)聲明:本文內(nèi)容由人工智能生成,旨在對百日咳毒素的科研相關(guān)信息進(jìn)行整理與匯總,僅供科研人員參考借鑒,不構(gòu)成專業(yè)實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)、醫(yī)療建議或臨床應(yīng)用依據(jù)。