新研究提供了MAP激酶p38α分子激活的基本見解，觸發炎癥反應的最終開關

細胞持續暴露于病原體等應激源，可能會擾亂生物體的正常功能。為了對抗壓力，細胞已經形成了幾種應對機制，包括炎癥反應。

雖然炎癥反應是必要的，但過多的炎癥反應會損害細胞和器官的功能。細胞因子風暴就是這種情況——感染期間的炎癥級聯反應可能會失控，導致嚴重疾病甚至死亡，正如最近在COVID-19疫情期間所突顯的那樣。

在《科學》雜志上發表的一篇新論文中，EMBL格勒諾布爾大學和日內瓦大學的研究人員對一種名為 p38α 的蛋白質進行了深入研究，這種蛋白質屬于絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族，是觸發炎癥反應的重要細胞“開關”。他們**獲得了p38α被另一種調節蛋白激酶MKK6激活的結構，為開發阻止細胞因子風暴的藥物開辟了新的方向。

最后一個轉換:藥物靶標

研究人員Matthew Bowler研究激酶已有十多年了。這組酶通過充當傳遞信號和激活基因表達的“開關”，在調節細胞的復雜過程中起著重要作用。它們是通過磷酸化來實現的——在其他分子上添加一個化學基團（磷酸鹽）來調節它們的功能。

Bowler的工作特別關注MAP激酶，它是炎癥反應的關鍵參與者。炎癥是通過一系列激酶啟動的，這些激酶在一系列反應中相互激活，最后一個激酶負責激活炎癥所需的基因轉錄。這個過程釋放細胞因子，促炎信號分子，在過度激活的情況下，會導致細胞因子風暴。

這種激酶鏈反應受到良好的調節，類似于邏輯回路：炎癥反應需要特定的按鈕被打開，最終激活p38α ，也就是所有信號匯聚的交匯點和炎癥過程的最后開關。

因為激酶鏈反應可以來自邏輯回路的不同“分支”，所以最后一個開關是一個特別相關的藥物靶點。炎癥反應由p38α調節，并在細胞因子風暴期間高度激活。使其失活可以防止炎癥的發生，而不是試圖在炎癥已經發生時再進行治療。

因此，包括p38α在內的蛋白激酶已被大量研究。**個蛋白激酶結構是在30年前解決的，這是該領域的一個里程碑，隨后有更多的結構，現在蛋白質數據庫中有超過7,000個結構。

然而，謎題的重要部分仍然缺失。“結構生物學家已經獲得了關于蛋白激酶的結構和功能的詳細信息，但大多是孤立的。所以我們并不知道這些酶是如何沿著鏈式反應被激活的。”Bowler解釋道。

由于不了解激活過程的基本信息，藥物主要針對的是激酶的核苷酸結合位點——所有激酶中常見且眾所周知的口袋，磷酸鹽轉移發生在那里。由于激酶之間有一個共同的結合位點，因此缺乏藥物特異性，這意味著一種旨在阻止一種激酶信號傳導的藥物也可能阻止其他激酶的信號傳導?？紤]到激酶在細胞過程中作為關鍵調節因子的重要作用，這種副作用會帶來問題。

Bowler補充說:“有許多分子被設計成針對p38α，特別是它的核苷酸結合位點，但由于缺乏特異性，還沒有一個分子通過臨床試驗。”

破解激活機制

因此，自2009年以來，Bowler和他實驗室的前博士生Erika Pellegrini一直在研究p38α和MKK6(激活它的激酶)之間的相互作用。但研究激酶之間的相互作用被證明是極其復雜的。“這些酶是非常動態的分子;它們傳遞重要的信號，需要迅速采取行動。以p38α為例，它必須進入細胞核并激活許多其他不同的蛋白質。”

MKK6-p38α復合物的相互作用不能通過大分子晶體學來確定，這是一種結構生物學技術，通常用于研究蛋白質，但在這種動態蛋白質的情況下應用特別具有挑戰性。

冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)的最新發展，特別是在過去十年中，提出了新的希望。2016年，Bowler和新博士生、論文**作者Pauline Juyoux決定改用這種技術——盡管當時這種蛋白質復合物被認為太小，無法進行低溫電鏡分析。他們得到了Pellegrini的支持，Pellegrini已經掌握了這種技術的專業知識。

堅韌和協作是項目成功的關鍵因素。“有很多起起落落，但總有鼓舞人心的人或時刻——其中一個特別令人難忘，2017年諾貝爾冷凍電鏡獎公布的同一天，我們獲得了**個低分辨率三維陰性染色模型。這給了我們很大的動力！”

利用冷凍電鏡和互補技術，如歐洲同步輻射設施和鉆石光源的x射線晶體學和小角度x射線散射(SAXS)，研究小組設法獲得了復合物的3D結構，并確定了兩個酶相互作用的一個以前未知的對接位點——這是理解p38α如何被激活的關鍵信息。Juyoux解釋說:“這可能是一個有趣的目標，可以阻止這種特定的相互作用，從而引發炎癥反應的信號。”

之后他們與日內瓦大學的Gervasio實驗室合作，使用分子動力學模擬，支持Bowler, Pellegrini和Juyoux進一步了解這兩種激酶如何相互作用。Juyoux解釋說:“他們表明，我們生成的模型與酶的活性是相容的，磷酸化位點與活性位點的距離是合適的。他們還對復合體的不同類型的構象進行了分類，展示它們是如何組裝的。”

至關重要的是，通過將這些模擬與SAXS數據進行比較，他們能夠模擬出兩種蛋白質在催化之前是如何相互作用的。

Francesco Gervasio解釋說:“通過先進的統計方法，將***的模擬與SAXS和低溫電鏡數據相結合的美妙之處在于，我們可以‘看到’兩種激酶相互接近的舞蹈，同時知道我們在計算機中看到的是由所有可用的實驗數據完全支持的。模擬需要瑞士國家超級計算中心慷慨分配的幾個月的超級計算時間，但考慮到最終結果的相關性，這是值得的。”

這些結果提供了一個可供探索的替代藥物靶點，也為研究其他兩個MAP激酶家族的類似過程打開了大門:ERK激酶(參與癌癥)和JNK激酶(也參與炎癥，特別是阿爾茨海默病)。

Juyoux說，“激酶在序列和結構方面彼此非常相似，但我們不知道它們如何以及為什么響應或發送特定信號，比較這些不同的激酶家族可以幫助解釋相互作用的特異性，并為新的治療方法開辟道路。”

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