陈雷团队破解NADPH氧化酶激活之谜，为免疫缺陷疾病治疗带来新希望
陈雷团队破解NADPH氧化酶激活之谜，为免疫缺陷疾病治疗带来新希望
近日，北京大学未来技术学院分子医学研究所陈雷研究员研究组在《Nature》杂志发表重要研究成果，首次解析了人源吞噬细胞NADPH氧化酶在激活状态下的高分辨率结构。这一突破性发现不仅揭示了NADPH氧化酶的工作机制，也为治疗相关免疫缺陷疾病提供了新的思路。
NADPH氧化酶是一种关键的酶复合体，主要在免疫细胞中发挥作用。它能够催化NADPH氧化，生成超氧阴离子等活性氧物质，这些物质对杀灭入侵的病原体至关重要。NADPH氧化酶的异常会导致慢性肉芽肿病等免疫缺陷疾病，患者会反复遭受细菌和真菌感染。
陈雷团队利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了NADPH氧化酶在静息状态和激活状态下的结构。研究发现，NADPH氧化酶由膜蛋白NOX2和p22形成的膜组分，以及p47、p67、Rac和p40形成的胞浆组分组成。在静息状态下，膜组分本身不具有活力；而当有病原信号刺激时，胞浆组分的p47等蛋白会发生磷酸化，解除自抑制状态，进而招募p67、Rac1、p40蛋白至膜组分并最终激活NOX2蛋白。
研究团队通过创新性的实验设计，解决了胞浆组分与膜组分结合效率低的问题。他们将GFP及其纳米抗体分别融合在p22和胞浆组分上，同时优化了p47、p67和Rac1之间连接序列的长度及其排列方式。最终，研究团队获得了处于激活状态并包含有胞浆组分的NOX2的电子密度（2.79 Å）以及处于静息状态下不含有胞浆组分的NOX2电子密度（2.99 Å）。
结构分析显示，激活状态的NOX2胞内侧与胞浆组分p67、Rac1和p47结合。其中，p67和Rac1形成一个近似“嘴巴”的形状，p67代表“下颌”，Rac1代表“上颌”，两者通过氨基酸相互作用夹住NOX2的脱氢酶结构域（DH）。p47上的一段小肽结合在Rac1 α1和β2之间的裂缝中。p67与DH的结合主要依靠p67 C端向外伸出的激活结构域，第202-208位氨基酸形成的β折叠与NOX2的β1形成反平行式排列。
比较静息态和激活态结构，研究团队发现NOX2的DH结构域在激活后会对接到TMD的底部并与TMD的N端形成相互作用。NADPH结合在DH暴露在外侧的裂缝中，其腺嘌呤基团和磷酸基团与裂缝周围的氨基酸发生相互作用。NOX2的TMD在激活前后没有明显的构象变化，而DH结构域相较于TMD转动了15.7°，形成一种更为紧凑的构象，也缩短了FAD与近胞质侧血红素之间的距离。FAD结合结构域（FBD）相对于NADPH结合结构域（NBD）产生了17.4°的旋转，并缩短了FBD和NBD的距离，使位于FBD上的R356靠近NADPH，与其形成相互作用，稳定了NADPH的结合。
这一发现揭示了NADPH氧化酶的激活机制：在胞浆组分组装后，p67-Rac1的结合会导致DH结构域的收缩并对接到TMD上，从而稳定NADPH的结合并将其电子经由FAD、近胞内侧血红素、F215和近胞外侧血红素传递到胞外的氧气，最终产生超氧阴离子。
这一突破性研究为理解NADPH氧化酶的工作原理提供了重要的结构基础，也为开发治疗慢性肉芽肿病等免疫缺陷疾病的新方法开辟了新的途径。通过靶向NADPH氧化酶的激活过程，未来有望开发出更有效的治疗策略，帮助患者恢复正常的免疫功能。