NADPH氧化酶是一类跨膜氧化还原酶，将电子从膜一侧的NADPH跨膜传递给另一侧的氧分子，生成以超氧阴离子和过氧化氢为主的活性氧类物质（ROS）1。人体内的NADPH氧化酶有7种：NOX1-NOX5、DUOX1、DUOX22，它们参与了多种生物学过程，包括宿主防御、信号转导、激素合成等1。其中，关于NOX2（也称gp91phox）的研究最为深入。NOX2主要在吞噬细胞中表达，是吞噬细胞NADPH氧化酶的催化亚基，与p22phox(p22)亚基形成异源二聚体，共同构成处于静息状态的NOX2-p22复合物3。吞噬细胞的NADPH氧化酶在哺乳动物的先天免疫系统中发挥重要作用，当静息的NOX2-p22复合物被胞内的调节亚基（p47phox,p67phox,Rac等）激活时，NOX2便会传递电子产生超氧阴离子，超氧阴离子进一步转变成ROS，这对于杀死入侵的病原微生物起到了重要作用3。NOX2功能缺失性基因突变会导致免疫缺陷疾病——慢性肉芽肿病4，该病患者由于先天免疫功能的缺失，非常容易受到细菌或真菌感染，严重时可致命。尽管吞噬细胞的NADPH氧化酶具有重要的生理功能，但由于其结构未知，它工作的分子机制仍不清楚。
年11月22日，北京大学未来技术学院分子医学研究所，北大-清华生命科学联合中心陈雷研究组在ELife杂志上发表了题为“StructureofhumanphagocyteNADPHoxidaseintherestingstate”的研究论文，该研究通过单颗粒冷冻电镜技术解析了人源吞噬细胞NADPH氧化酶复合体在静息状态下的高分辨结构。
陈雷研究组在HEKF细胞中共表达了人源NOX2与C端融合了GFP的人源p22，共表达NOX2和p22的细胞膜能被调节亚基激活，在Amplexred酶活测定体系里产生过氧化氢（图1）。说明在该表达系统中，NOX2和p22能够正确折叠和组装。作者们纯化了异源表达的NOX2-p22复合物，组装到了纳米磷脂盘（nanodisc）里，并且加入了抗人源NOX2的单抗7D5Fab片段5和能够结合7D5Fab的纳米抗体TP来辅助蛋白纯化和冷冻电镜数据计算。体外纯化的NOX2-p22-7D5Fab-TP复合物能被调节亚基激活，说明其具有正常的生物学功能，可进一步用于结构生物学研究。通过单颗粒冷冻电镜技术，作者成功获得了分辨率为2.8的NOX2-p22-7D5Fab-TP复合物的电子密度并搭建了原子模型。
复合物的结构表明，NOX2由N端跨膜区结构域（TMD）和位于胞质的C端脱氢酶结构域（DH）构成，TMD结合一对血红素（outerhaem和innerhaem），DH的FBD结构域结合一个FAD（图1）。NOX2的TMD由6根跨膜螺旋构成，而p22有4根跨膜螺旋。其中，NOX2跨膜螺旋M3,M4,M5和p22跨膜螺旋M1,M4参与NOX2-p22异源二聚体的组装。7D5Fab与NOX2胞外loopC和loopE结合。在电子密度图中，还观察到了很多磷脂样的密度。
图1：人源NOX2-p22复合物静息状态结构
将静息状态的NOX2-p22复合物结构与激活状态的DUOX17结构进行比较,作者们发现与激活状态的DUOX1相比，静息状态NOX2-p22的DH结构域转动了49.4，上移了2.3；FAD移动了12.4（图2）。FAD与innerhaem的距离（6.1）远大于激活状态DUOX1的FAD与innerhaem的距离（3.9），可能难以将电子从FAD高效传递到innerhaem。此外，尽管在制样时加入了过量NADPH，作者们并没有观察到底物NADPH的密度，说明静息状态下NADPH与NOX2的亲和力低。在DUOX1结构中7,8,NADPH同时结合TMD和DH的氨基酸；而静息状态NOX2的DH的位置使NADPH不能同时结合TMD和DH，这可能是导致NADPH亲和力低的原因。静息状态下NOX2的DH所在位置使得它不能很好地将电子从FAD传递到innerhaem。作者们推测当NOX2被胞质内的调节亚基激活时，DH会被稳定在类似于激活状态的DUOX1所在的构象，从而使NADPH的亲和力增加，使电子从FAD到innerhaem的传递效率提高（图3）。
图2：静息状态NOX2与激活状态DUOX1结构比较
图3：NOX2激活机制模式图
综上所述，本项研究解析了人源NOX2-p22复合物在静息状态下的高分辨结构，揭示了该异源二聚体的组装机制，同时也为解释NOX2的激活机制提供了重要参考。值得一提的是，Genentech公司于今年10月在NatureCommunications杂志上发表了人源NOX2-p22核心部分3.2的结构，链接见:(
