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人伤寒沙门氏菌（Salmonella enterica serovar Typhi,S.Typhi）是专一侵染人类的病原菌,会引发伤寒热,每年导致世界上两千万人感染,超过20万人死亡。S.Typhi在入侵人宿主细胞后会表达伤寒毒素,伤寒毒素会导致宿主细胞周期停滞,进一步引发细胞凋亡。注射伤寒毒素的小鼠会表现出人伤寒热的症状,表明伤寒毒素是S.Typhi引发伤寒的关键毒力因子之一。AB5细菌毒素家族包括霍乱毒素、志贺毒素和百日咳毒素等与人类疾病相关毒素,它们通常包含一个有催化功能的A亚基和一个有转运功能的五聚体B亚基。不同于这些AB5细菌毒素,伤寒毒素是A2B5结构,它有两个活性A亚基（CdtB和PltA）和五聚体B亚基（PltB）,其中CdtB亚基是细胞致死膨胀毒素活性亚基的同源蛋白,它是一种脱氧核糖核酸酶,会使宿主细胞DNA的双链断裂,引起细胞周期停滞和细胞肿胀;PltA亚基是一种ADP核糖转移酶,它的作用靶点和生物功能还未被发现。CdtB和PltA通过一个二硫键共价连接,这个二硫键被认为是伤寒毒素从AB5细菌毒素祖先进化产生的关键步骤之一。此外,伤寒毒素的B亚基PltB特异性结合人类细胞表面丰富的乙酰神经氨酸（N-acetylneuramic acid,Neu5Ac）,这对S.Typhi的宿主专一性非常关键。研究发现伤寒毒素基因岛在沙门氏菌多种血清型中编码,并且在绝大部分沙门氏菌阳性的菌株中都存在第二个B亚基,如S.Javiana、S.diarizonae等。在S.Typhi远离伤寒毒素基因岛的位置也存在编码第二个B亚基的基因座pltC。PltC与伤寒毒素其他亚基一样只在侵染宿主细胞后表达,并且可以与伤寒毒素的A亚基组成全毒素。PltC伤寒毒素相比于PltB伤寒毒素有显著的不同:首先,通过细胞毒性实验发现PltC伤寒毒素抑制人上皮细胞系细胞周期的效力比PltB伤寒毒素弱得多;其次,在老鼠模型上注射PltC伤寒毒素或PltB伤寒毒素有显著不同的反应,与PltB伤寒毒素相比,PltC伤寒毒素引起的感染症状减轻,死亡率降低,但是PltC伤寒毒素在减少免疫细胞数量方面更明显;另外,非常有趣的是,在S.Typhi感染人上皮细胞时两种毒素的运输是非常不同的,PltB伤寒毒素通过与SCV囊泡上的糖基受体相互作用分泌到细胞外,而PltC伤寒毒素停留在SCV囊泡中。总之,伤寒毒素的不同组装模式可能赋予了伤寒毒素不同的功能,这对S.Typhi的致病过程可能存在重要作用,然而,对于不同伤寒毒素的组装机制还不了解,并且不同类型伤寒毒素的底物识别特性也还未进行研究。本文分别解析了 PltC同源五聚体、糖结合PltC和PltC伤寒毒素的结构,并进一步通过生化实验分析了伤寒毒素B亚基之间、B亚基与A亚基之间以及B亚基和不同糖基之间的相互作用,从原子水平揭示了S.Typhi如何产生两种功能不同的伤寒毒素。本文的研究结果主要包括以下几点:（1）S.Typhi伤寒毒素组装多样性的分子机制:对伤寒毒素B亚基之间的相互作用进行研究,通过生化和结构分析证明PltB和PltC由于电荷排斥不能够形成异源五聚体转运平台,从而只形成两种不同的毒素;对伤寒毒素B亚基与A亚基之间的相互作用进行研究发现,尽管PltB和PltC两个B亚基与PltA的相互作用非常相似,但是PltC与PltA显示出更强的极性相互作用从而使PltC与PltA的亲和力高于PltB与PltA的亲和力。（2）S.Typhi伤寒毒素功能多样性的分子机制:糖芯片实验说明PltB和PltC在聚糖结合方面显示出不同的特异性;通过解析PltC与聚糖结合的结构发现PltC存在特异的聚糖结合位点,;体外细胞毒性实验发现PltC毒素和PltB毒素在不同细胞上毒性不同,进一步说明PltB和PltC的底物识别特异性不同;另外S.TyphiΔpltC的细胞毒性相比野生型显著增强,说明PltC的存在会减弱S.Typhi对某些类型宿主细胞的毒性。（3）S.diarizonae中伤寒毒素组装的分子机制:与S.Typhi中pltC基因远离伤寒毒素基因岛不同,S.diarizonae中的伤寒毒素基因岛中存在紧邻的两个B亚基pltBd1和pltBd2,对PltBd1、PltBd2分别与S.Typhi中的PltA-CdtB形成的嵌合毒素的结构解析发现,PltBd1和PltBd2的相邻界面电势分布是非常相似的,根据我们总结的电势分析理论推测存在形成异源五聚体的可能性。本课题主要解决了以下关键的科学问题:（1）通过生化实验和结构分析证明S.Typhi中两种B亚基形成两种结构相似但功能不同的A2B5伤寒毒素,提出了一种AB5家族细菌毒素组装的分子机制,丰富了对AB5家族细菌毒素组装多样性的认知;（2）伤寒毒素识别宿主细胞的特异性主要与其聚糖识别特异性相关,通过实验和结构分析发现PltB伤寒毒素和PltC伤寒毒素在底物结合特异性方面存在巨大差异,为全面理解伤寒毒素致病的复杂生物学过程提供了新的思路;（3）为针对以伤寒毒素为靶点开发疫苗和药物来预防和治疗伤寒疾病提供了理论基础。