PNAS人物丨杰出的華人生物學家之哈佛大學吳皓教授

　　隨著生物大分子結構的逐步解析，研究人員對細胞生理的認知也在不斷革新。

　　哈佛大學吳皓教授實驗室主要聚焦細胞抗感染和損傷性刺激的免疫信號通路中相關分子的結構生物學研究，于2015年當選為美國國家科學院院士。這些工作首先解析結構并定義了信號小體（Signalsomes），即超分子組裝中心（supramolecular organizing centers，SMOCs）【1】，填補了經典細胞器和應激后瞬時組裝的分子復合體研究間的空白。吳皓教授的主要工作解釋了在炎癥通路中形成的SMOCs-如炎癥小體（Inflammasome）等-是如何組裝并發揮功能，為其藥物靶向治療提供了重要參考依據。

固有免疫中的SMOCs，引自：Nat Rev Immunol 14:821–826

　　北京序幕

　　吳皓教授生于北京，父母均為物理學家。在高中學習期間就對生物學產生了濃厚興趣，并在高考后選擇進入北京協和醫學院進行臨床醫學學習。在北京大學進行醫學預科學習期間，吳皓教授就對攝影產生了很大的興趣，這似乎也打開了日后X射線結晶學研究的序幕。

　　在協和醫學院期間，吳皓教授參與系統性紅斑狼瘡的研究，這項工作促使她考慮離開醫學院而去攻讀研究性的學位。在1987年的北京一場國際生物化學會議上，吳皓教授結識了普渡大學結構生物學教授Michael Rossmann，并對其研究產生濃厚興趣（Rossmann教授是X射線結晶學的先驅，曾幫助Max Perutz解析了血紅蛋白結構，該發現促成后者獲得1962年諾貝爾化學獎）。X射線結晶學需要用復雜的數學和物理方法解決生物學問題，這恰恰是其吸引吳皓教授之處。

Michael Rossmann教授與吳皓教授。圖片引自：https://www.bio.purdue.edu/news/articles/2013/2013-biological-sciences-distinguished-alumni-dr-hao-wu.html

　　隨后，吳皓教授前往普渡大學在Rossmann教授指導下開始研究結晶學和病毒學。此時的結晶學仍很少有自動化的技術手段，計算機能做的也較為有限，吳皓教授同時自學了Fortran語言并開始尋求自己的方法去解決結構問題。

　　CD4結構

　　1992年，吳皓教授取得了博士學位，并加入哥倫比亞大學Wayne Hendrickson實驗室做博士后研究。此時，HIV/AIDS危機開始在全球蔓延，吳皓獲得資助開始解析T細胞受體CD4分子的結構。在最終的結構模型里，吳皓教授發現CD4分子在T細胞感受信號中形成二聚體，并形成更大的分子簇【2】。在回顧這項研究時，吳皓教授表示這也是自己首次接觸寡聚體蛋白的研究，隨后寡聚體蛋白也成為其研究的核心主題。

　　“在隨后的十年內，我們發現細胞內的信號蛋白可以組裝成為更大的寡聚體蛋白復合體。而既往我們往往將其作為錯誤聚集或錯誤折疊的蛋白而摒棄。”

　　固有免疫研究

　　1997年，吳皓教授接受了康奈爾大學終身教職。此時的吳皓教授開始關注腫瘤壞死因子（Tumor necrosis factor，TNF）通路，這也開啟了吳皓教授在固有免疫研究的序章。

　　當時的主流觀點認為，細胞是否存活僅取決于TNF是否對刺激和應激產生響應，而吳皓教授的工作發現這條通路下仍然可以有著不同的分支。這一部分工作解析了TRAF2 （TNF receptor-associated factor 2） 和TRADD（TNF receptor type 1-associated death domain protein）的結構，幫助明確TRAF2是如何通過調控TRADD實現對凋亡起始的“剎車”作用【3, 4】。

TNFR-TRAF2-TRADD結構示意圖，引自：Cell 101:777–787

　　隨后吳皓教授團隊繼續解析了其他含有Death Domain的蛋白：RAIDD (RIP-associated protein with a death domain) 和PIDD (p53-induced protein with a death domain)【5】。在這個模型中，7個RAIDD和5個PIDD與Caspase-2組成呈不對稱的多蛋白寡聚體復合體-PIDDosome。而在幾年后，吳皓團隊又一度解析了參與Toll樣受體信號通路的Myddosome【6】，發現該復合體呈現螺旋性的對稱結構，類似于雙螺旋。而這樣的開放結構可以使其容易地繼續組裝結合新的亞基。

非對稱的PIDDosome結構與對稱性的Myddosome結構，（引自Cell 128:533–546；Nature 465:885–890）

　　技術革新

　　隨著工作逐漸向大分子復合體開展，吳皓團隊開始整合冷凍電鏡技術進行結構解析。在這些技術的聯合下，吳皓教授團隊解析了壞死小體（necrosome）的結構，參與炎癥性細胞死亡或者壞死性凋亡。這是一種不同于凋亡的細胞程序性死亡，壞死小體的結構生物學工作幫助更好的理解這一類細胞死亡類型。在后續工作中，吳皓教授發現壞死小體也具有β淀粉樣蛋白（β-amyloid）結構【7】，而冷凍電鏡的應用將這類纖維樣結構精確到接近原子的精度【8】。

　　吳皓教授在SMOCs中的研究揭示，無論是壞死小體、炎癥小體，或者其他信號小體，其結構均是由多種免疫蛋白通過互作結合，形成具有功能的復合體。

　　信號小體-Signalosomes

　　隨著研究的進展，吳皓教授對細胞內蛋白相互作用有了新的理解和隱喻，她認為細胞類似于一種文明社會，它具有村莊和城市，并在其中發生大部分反應。而細胞內形成的對稱性多價的結合使分子聚合在這些地方，局部完成生化反應，然后改變細胞的生理狀態。吳皓教授認為，這種高層級的結構具有革命性的優點，多價相互作用使復合體內成員合作一般地完成組裝，所以當不需要誘導凋亡、壞死性凋亡及焦亡時，它們之間不會過度反應。

　　靶向治療

　　2012年，在康奈爾大學完成近20年研究后，吳皓教授轉去哈佛大學波士頓兒童醫院繼續其研究。此時，吳皓教授已開始拓展其在免疫學中的研究，包括介導抗體多樣性的功能蛋白的結構生物學研究【9】、炎癥小體等信號小體在信號轉導和放大中的作用【10】，以及焦亡后細胞死亡的下游事件【11】。

　　在最新發表的研究論文里【12】，吳皓教授開始將工作推向新的方向，試圖助力腫瘤、自身免疫性疾病等多種疾病的臨床治療。吳皓教授希望其在結構生物學上的工作能夠幫助尋找新的治療靶點。

圖為2018年華人生物學家協會主席吳皓教授（左三）在華人生物學家協會第十二屆學術大會晚宴上與其他參會專家合影。鐘偉民教授（左二）、陳列平教授（左四）、南科大校長陳十一教授（左五）、現任華人生物學家協會主席康毅濱教授（右四）、王小凡教授（右二）、李國民教授（右一）。Image credit：BioArt

　　參考文獻

　　1. Kagan JC, Magupalli VG, Wu H. SMOCs: supramolecular organizing centres that control innate immunity. Nature reviews Immunology 2014；14(12):821-6.

　　2. Wu H, Kwong PD, Hendrickson WA. Dimeric association and segmental variability in the structure of human CD4. Nature 1997；387(6632):527-30.

　　3. Park YC, Burkitt V, Villa AR, Tong L, Wu H. Structural basis for self-association and receptor recognition of human TRAF2. Nature 1999；398(6727):533-8.

　　4. Park YC, Ye H, Hsia C, Segal D, Rich RL, Liou HC, et al. A novel mechanism of TRAF signaling revealed by structural and functional analyses of the TRADD-TRAF2 interaction. Cell 2000；101(7):777-87.

　　5. Park HH, Logette E, Raunser S, Cuenin S, Walz T, Tschopp J, et al. Death domain assembly mechanism revealed by crystal structure of the oligomeric PIDDosome core complex. Cell 2007；128(3):533-46.

　　6. Lin SC, Lo YC, Wu H. Helical assembly in the MyD88-IRAK4-IRAK2 complex in TLR/IL-1R signalling. Nature 2010；465(7300):885-90.

　　7. Li J, McQuade T, Siemer AB, Napetschnig J, Moriwaki K, Hsiao YS, et al. The RIP1/RIP3 necrosome forms a functional amyloid signaling complex required for programmed necrosis. Cell 2012；150(2):339-50.

　　8. Lu A, Magupalli VG, Ruan J, Yin Q, Atianand MK, Vos MR, et al. Unified polymerization mechanism for the assembly of ASC-dependent inflammasomes. Cell 2014；156(6):1193-206.

　　9. Ru H, Chambers MG, Fu TM, Tong AB, Liao M, Wu H. Molecular Mechanism of V(D)J Recombination from Synaptic RAG1-RAG2 Complex Structures. Cell 2015；163(5):1138-52.

　　10. Zhang L, Chen S, Ruan J, Wu J, Tong AB, Yin Q, et al. Cryo-EM structure of the activated NAIP2-NLRC4 inflammasome reveals nucleated polymerization. Science 2015；350(6259):404-9.

　　11. Ruan J, Xia S, Liu X, Lieberman J, Wu H. Cryo-EM structure of the gasdermin A3 membrane pore. Nature 2018；557(7703):62-67.

　　12. Li Y, Fu TM, Lu A, Witt K, Ruan J, Shen C, et al. Cryo-EM structures of ASC and NLRC4 CARD filaments reveal a unified mechanism of nucleation and activation of caspase-1. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2018；115(43):10845-52.