ATP驱动的一维运动通过抑制MDA5自发丝状组装维持免疫稳态

时间：2025年9月20日

来源：Cell Research

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本研究揭示了MDA5作为ATP水解驱动的dsRNA马达，通过一维运动抑制自发丝状体形成，而LGP2通过结合MDA5并阻断其运动促进微丝组装，阐明了免疫稳态维持的新机制，为自身免疫疾病治疗提供新靶点。

在抵御病毒入侵的免疫前线，细胞质中的RIG-I样受体（RLR）家族扮演着关键哨兵角色。其中MDA5（黑色素瘤分化相关基因5）专门识别长双链RNA（dsRNA）病毒，如小RNA病毒。当MDA5与病毒RNA结合后，会形成丝状结构，促使N端的CARD结构域寡聚化，进而激活线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS），启动干扰素应答。然而，这种激活机制必须受到精确调控——一旦失控，就会错误识别自身RNA，导致自身免疫疾病的发生。

奇怪的是，MDA5的ATP酶活性对于维持免疫稳态至关重要，但其中的分子机制一直是个谜团。早期研究认为，多个MDA5分子像串珠一样沿着dsRNA排列，形成有序的丝状结构。在ATP存在的情况下，这种丝状结构变得不稳定，暗示ATP水解可能参与调节丝状体的组装与解离。更令人困惑的是，LGP2作为RLR家族中缺乏CARD结构域的成员，如何正调控MDA5信号？这些悬而未决的问题激发了研究人员的探索热情。

为了解开这些谜团，研究人员运用了多项前沿技术：单分子全内反射荧光（smTIRF）显微镜实时观察MDA5在dsRNA上的运动行为；负染色电子显微镜（EM）分析蛋白质丝状结构；ATP酶活性测定量化酶活动力学；AlphaFold3预测蛋白质相互作用界面；细胞感染模型（EMCV病毒）和基因敲除（CRISPR-Cas9）技术验证生理功能。

研究结果显示，MDA5是ATP水解驱动的dsRNA马达。通过单分子成像技术，研究人员直接观察到单个MDA5分子沿着11.6-kb dsRNA进行单向运动，这种运动完全依赖ATP水解。当ATP缺失或被非水解类似物ADPCP替代时，运动立即停止。有趣的是，缺失CARD结构域的突变体（MDA5ΔN）运动频率更高，说明CARD结构域间的相互作用可能降低了单体MDA5的浓度。

ATP水解驱动MDA5形成动态簇而非静态丝状体。在ATP存在条件下，MDA5不会形成稳定的丝状结构，而是形成动态的、可移动的ATM簇（ATP依赖性移动簇）。这些簇由多个独立运动的MDA5马达组成，它们以不同步的方式运动，相互竞争甚至置换，而不是协同形成稳定丝状体。与此形成鲜明对比的是，ATP酶缺陷突变体MDA5(R337G)和MDA5(M854K)即使在ATP存在下也会形成静态丝状体，这两种突变均与人类自身免疫疾病相关。

LGP2通过阻断MDA5运动诱导微丝形成。LGP2本身运动能力很弱，但能特异性地结合MDA5并立即停止其运动，将动态的ATM簇转化为静态的微丝结构。AlphaFold3预测显示，LGP2通过E116、E117和D603等残基与MDA5相互作用。当这些位点突变后，LGP2阻断MDA5运动的能力显著下降。在细胞实验中，野生型LGP2能增强MDA5信号，而相互作用突变体LGP2(intermut)则显著削弱干扰素和干扰素刺激基因（ISG）的表达。

一维运动作为MDA5信号传导的调控开关。只有MDA5-LGP2微丝能够有效招募MAVS-CARD，动态的ATM簇则不能。在细胞实验中，过表达MDA5和LGP2能显著增强长dsRNA（>1 kb）诱导的干扰素产生，而短dsRNA则效果不佳，表明这种运动依赖的组装具有长度特异性。

一维运动防止MDA5异常激活。ATP酶缺陷的MDA5突变体能够在短dsRNA上自发形成丝状体并激活MAVS，且不依赖LGP2，这解释了为什么这些突变会导致自身免疫。在小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）中，过表达ATP酶缺陷的mMDA5突变体（R338G和M854K）即使没有dsRNA刺激也会引起干扰素和ISG的高表达，模拟了自身免疫状态。

研究结论表明，MDA5通过ATP水解驱动的一维运动维持免疫稳态。这种运动抑制了MDA5在自身RNA上的自发激活，同时允许其在病毒RNA上通过LGP2介导的机制有效组装。LGP2作为分子“刹车”，通过结合MDA5并停止其运动，促进微丝形成和信号激活。ATP酶缺陷的MDA5因无法运动而自发组装，导致对dsRNA长度不敏感和自身免疫。