Science解答数十年谜题：关闭细胞因子风暴

在《科学》杂志上发表的一篇新论文中，EMBL Grenoble的研究人员提供了MAP激酶p38α分子激活的基本见解，这是触发炎症反应的最终开关。炎症是细胞在面对压力(如感染)时的一种应对机制。然而，过多的炎症会损害细胞和器官的功能。细胞因子风暴就是这种情况，炎症级联反应可导致严重疾病和死亡，最近在COVID-19大流行期间尤为突出。这些结果为开发预防细胞因子风暴的药物以及研究另外两个MAP激酶家族(分别与癌症和阿尔茨海默病有关)的类似过程开辟了新的方向。

　　

细胞持续暴露于病原体等应激源，可能会扰乱生物体的正常功能。为了对抗压力，细胞已经形成了几种应对机制，包括炎症反应。

虽然炎症反应是必要的，但过多的炎症反应会损害细胞和器官的功能。细胞因子风暴就是这种情况——感染期间的炎症级联反应可能会失控，导致严重疾病甚至死亡，正如最近在COVID-19疫情期间所突显的那样。

在《科学》杂志上发表的一篇新论文中，EMBL格勒诺布尔大学和日内瓦大学的研究人员对一种名为 p38α 的蛋白质进行了深入研究，这种蛋白质属于丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族，是触发炎症反应的重要细胞“开关”。他们首次获得了p38α被另一种调节蛋白激酶MKK6激活的结构，为开发阻止细胞因子风暴的药物开辟了新的方向。

最后一个转换:药物靶标

研究人员Matthew Bowler研究激酶已有十多年了。这组酶通过充当传递信号和激活基因表达的“开关”，在调节细胞的复杂过程中起着重要作用。它们是通过磷酸化来实现的——在其他分子上添加一个化学基团（磷酸盐）来调节它们的功能。

Bowler的工作特别关注MAP激酶，它是炎症反应的关键参与者。炎症是通过一系列激酶启动的，这些激酶在一系列反应中相互激活，最后一个激酶负责激活炎症所需的基因转录。这个过程释放细胞因子，促炎信号分子，在过度激活的情况下，会导致细胞因子风暴。

这种激酶链反应受到良好的调节，类似于逻辑回路：炎症反应需要特定的按钮被打开，最终激活p38α ，也就是所有信号汇聚的交汇点和炎症过程的最后开关。

因为激酶链反应可以来自逻辑回路的不同“分支”，所以最后一个开关是一个特别相关的药物靶点。炎症反应由p38α调节，并在细胞因子风暴期间高度激活。使其失活可以防止炎症的发生，而不是试图在炎症已经发生时再进行治疗。

因此，包括p38α在内的蛋白激酶已被大量研究。第一个蛋白激酶结构是在30年前解决的，这是该领域的一个里程碑，随后有更多的结构，现在蛋白质数据库中有超过7,000个结构。

然而，谜题的重要部分仍然缺失。“结构生物学家已经获得了关于蛋白激酶的结构和功能的详细信息，但大多是孤立的。所以我们并不知道这些酶是如何沿着链式反应被激活的。”Bowler解释道。

由于不了解激活过程的基本信息，药物主要针对的是激酶的核苷酸结合位点——所有激酶中常见且众所周知的口袋，磷酸盐转移发生在那里。由于激酶之间有一个共同的结合位点，因此缺乏药物特异性，这意味着一种旨在阻止一种激酶信号传导的药物也可能阻止其他激酶的信号传导。考虑到激酶在细胞过程中作为关键调节因子的重要作用，这种副作用会带来问题。

Bowler补充说:“有许多分子被设计成针对p38α，特别是它的核苷酸结合位点，但由于缺乏特异性，还没有一个分子通过临床试验。”

破解激活机制

因此，自2009年以来，Bowler和他实验室的前博士生Erika Pellegrini一直在研究p38α和MKK6(激活它的激酶)之间的相互作用。但研究激酶之间的相互作用被证明是极其复杂的。“这些酶是非常动态的分子;它们传递重要的信号，需要迅速采取行动。以p38α为例，它必须进入细胞核并激活许多其他不同的蛋白质。”

MKK6-p38α复合物的相互作用不能通过大分子晶体学来确定，这是一种结构生物学技术，通常用于研究蛋白质，但在这种动态蛋白质的情况下应用特别具有挑战性。

冷冻电子显微镜(cryo-EM)的最新发展，特别是在过去十年中，提出了新的希望。2016年，Bowler和新博士生、论文第一作者Pauline Juyoux决定改用这种技术——尽管当时这种蛋白质复合物被认为太小，无法进行低温电镜分析。他们得到了Pellegrini的支持，Pellegrini已经掌握了这种技术的专业知识。

坚韧和协作是项目成功的关键因素。“有很多起起落落，但总有鼓舞人心的人或时刻——其中一个特别令人难忘，2017年诺贝尔冷冻电镜奖公布的同一天，我们获得了第一个低分辨率三维阴性染色模型。这给了我们很大的动力！”

利用冷冻电镜和互补技术，如欧洲同步辐射设施和钻石光源的x射线晶体学和小角度x射线散射(SAXS)，研究小组设法获得了复合物的3D结构，并确定了两个酶相互作用的一个以前未知的对接位点——这是理解p38α如何被激活的关键信息。Juyoux解释说:“这可能是一个有趣的目标，可以阻止这种特定的相互作用，从而引发炎症反应的信号。”

之后他们与日内瓦大学的Gervasio实验室合作，使用分子动力学模拟，支持Bowler, Pellegrini和Juyoux进一步了解这两种激酶如何相互作用。Juyoux解释说:“他们表明，我们生成的模型与酶的活性是相容的，磷酸化位点与活性位点的距离是合适的。他们还对复合体的不同类型的构象进行了分类，展示它们是如何组装的。”

至关重要的是，通过将这些模拟与SAXS数据进行比较，他们能够模拟出两种蛋白质在催化之前是如何相互作用的。

Francesco Gervasio解释说:“通过先进的统计方法，将最先进的模拟与SAXS和低温电镜数据相结合的美妙之处在于，我们可以‘看到’两种激酶相互接近的舞蹈，同时知道我们在计算机中看到的是由所有可用的实验数据完全支持的。模拟需要瑞士国家超级计算中心慷慨分配的几个月的超级计算时间，但考虑到最终结果的相关性，这是值得的。”

这些结果提供了一个可供探索的替代药物靶点，也为研究其他两个MAP激酶家族的类似过程打开了大门:ERK激酶(参与癌症)和JNK激酶(也参与炎症，特别是阿尔茨海默病)。

Juyoux说，“激酶在序列和结构方面彼此非常相似，但我们不知道它们如何以及为什么响应或发送特定信号，比较这些不同的激酶家族可以帮助解释相互作用的特异性，并为新的治疗方法开辟道路。”