The bacterium Clostridium perfringens causes severe, sometimes lethal gastrointestinal disorders in humans, including enteritis and enterotoxemia. Type F strains produce an enterotoxin (CpE) that causes the third most common foodborne illness in the United States. CpE induces gut breakdown by disrupting barriers at cell–cell contacts called tight junctions (TJs), which are formed and maintained by claudins. Targeted binding of CpE to specific claudins, encoded by its C-terminal domain (cCpE), loosens TJ barriers to trigger molecular leaks between cells. Cytotoxicity results from claudin-bound CpE complexes forming pores in cell membranes. In mammalian tissues, ∼24 claudins govern TJ barriers—but the basis for CpE’s selective targeting of claudins in the gut was undetermined. We report the structure of human claudin-4 in complex with cCpE, which reveals that enterotoxin targets a motif conserved in receptive claudins and how the motif imparts high-affinity CpE binding to these but not other subtypes. The structural basis of CpE targeting is supported by binding affinities, kinetics, and half-lives of claudin–enterotoxin complexes and by the cytotoxic effects of CpE on claudin-expressing cells. By correlating the binding residence times of claudin–CpE complexes we determined to claudin expression patterns in the gut, we uncover that the primary CpE receptors differ in mice and humans due to sequence changes in the target motif. These findings provide the molecular and structural element CpE employs for subtype-specific targeting of claudins during pathogenicity of C. perfringens in the gut and a framework for new strategies to treat CpE-based illnesses in domesticated mammals and humans.

细菌产气荚膜梭菌在人类中引起严重的，有时是致命的胃肠道疾病，包括肠炎和肠毒血症。F 型菌株产生的肠毒素 (CpE) 会导致美国第三大最常见的食源性疾病。CpE 通过破坏称为紧密连接 (TJ) 的细胞-细胞接触处的屏障来诱导肠道分解，这些屏障由密蛋白形成和维持。CpE 与由其 C 末端结构域 (cCpE) 编码的特定 claudins 的靶向结合放松了 TJ 屏障以触发细胞之间的分子泄漏。细胞毒性是由密蛋白结合的 CpE 复合物在细胞膜中形成孔引起的。在哺乳动物组织中，约 24 个 claudin 控制着 TJ 屏障——但 CpE 选择性靶向肠道中 claudin 的基础尚未确定。我们报告了与 cCpE 复合的人类 claudin-4 的结构，这揭示了肠毒素靶向在受体密闭蛋白中保守的基序，以及该基序如何赋予这些亚型高亲和力 CpE 结合，而不是其他亚型。CpE 靶向的结构基础得到了密蛋白-肠毒素复合物的结合亲和力、动力学和半衰期以及 CpE 对密蛋白表达细胞的细胞毒性作用的支持。通过将 claudin-CpE 复合物的结合停留时间与我们确定的 claudin 在肠道中的表达模式相关联，我们发现由于靶基序的序列变化，小鼠和人类的主要 CpE 受体不同。这些发现提供了 CpE 用于亚型特异性靶向 claudins 致病过程中的分子和结构元件。CpE 靶向的结构基础得到了密蛋白-肠毒素复合物的结合亲和力、动力学和半衰期以及 CpE 对密蛋白表达细胞的细胞毒性作用的支持。通过将 claudin-CpE 复合物的结合停留时间与我们确定的 claudin 在肠道中的表达模式相关联，我们发现由于靶基序的序列变化，小鼠和人类的主要 CpE 受体不同。这些发现提供了 CpE 用于亚型特异性靶向 claudins 致病过程中的分子和结构元件。CpE 靶向的结构基础得到了密蛋白-肠毒素复合物的结合亲和力、动力学和半衰期以及 CpE 对密蛋白表达细胞的细胞毒性作用的支持。通过将 claudin-CpE 复合物的结合停留时间与我们确定的 claudin 在肠道中的表达模式相关联，我们发现由于靶基序的序列变化，小鼠和人类的主要 CpE 受体不同。这些发现提供了 CpE 用于亚型特异性靶向 claudins 致病过程中的分子和结构元件。通过将 claudin-CpE 复合物的结合停留时间与我们确定的 claudin 在肠道中的表达模式相关联，我们发现由于靶基序的序列变化，小鼠和人类的主要 CpE 受体不同。这些发现提供了 CpE 用于亚型特异性靶向 claudins 致病过程中的分子和结构元件。通过将 claudin-CpE 复合物的结合停留时间与我们确定的 claudin 在肠道中的表达模式相关联，我们发现由于靶基序的序列变化，小鼠和人类的主要 CpE 受体不同。这些发现提供了 CpE 用于亚型特异性靶向 claudins 致病过程中的分子和结构元件。肠道中的产气荚膜梭菌和治疗驯养哺乳动物和人类基于 CpE 的疾病的新策略框架。