激素是人體的化學(xué)信使，控制著各個器官的生理功能。下丘腦和腦下垂體是內(nèi)分泌激素的控制中心。傳統(tǒng)內(nèi)分泌系統(tǒng)由三大分支組成，即下丘腦-垂體-性腺軸（HPG）、下丘腦-垂體-甲狀腺軸（HPT）和下丘腦-垂體-腎上腺軸（HPA）。其中，三種促性腺激素，包括促黃體生成素、促卵泡激素和絨毛膜促性腺激素是糖蛋白激素，調(diào)控HPG軸的關(guān)鍵生理功能，包括人體的性別發(fā)育，精子發(fā)生和卵子成熟，以及促進(jìn)第二性征的發(fā)育及維持。另一類糖蛋白激素促甲狀腺激素是HPT軸調(diào)節(jié)的關(guān)鍵糖蛋白激素，主要通過調(diào)控機(jī)體甲狀腺素的水平從而調(diào)節(jié)人體代謝。

　　這些激素均為臨床重要的治療藥物，其中促黃體生成素和促卵泡激素用于輔助生殖及體外受精，以及治療女性不孕癥和男性促性腺功能減退癥等；絨毛膜促性腺激素用來誘導(dǎo)女性排卵，增加男性精子數(shù)量等。盡管幾十年來糖蛋白激素的臨床應(yīng)用取得了成功，年銷售額達(dá)數(shù)十億美元，但糖蛋白激素如何激活人體細(xì)胞中的受體機(jī)制仍然未知。

　　中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)/蔣軼團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合浙江大學(xué)張巖團(tuán)隊(duì)，首次解析了糖蛋白激素GPCR，即全長黃體生成素/絨毛膜促性腺激素受體（LHCGR）處于失活狀態(tài)和多種激活狀態(tài)下的四個結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究揭示了絨毛膜促性腺激素識別LHCGR的分子機(jī)制，揭示了1期臨床實(shí)驗(yàn)的小分子化合物Org43553與受體LHCGR相互作用細(xì)節(jié)模式；鑒定了糖蛋白激素選擇性結(jié)合LHCGR和促卵泡激素受體的關(guān)鍵氨基酸殘基；提出了激素配體激活受體的“Push and Pull”模型。這些工作對理解糖蛋白激素識別和激活GPCR的機(jī)制，為臨床開發(fā)替代激素治療的小分子藥物具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。相關(guān)成果于昨天深夜發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）。

　　四種糖蛋白激素的整體三維結(jié)構(gòu)高度相似，均由一條保守的α鏈和激素特異性的β鏈組成。糖蛋白激素受體為A類G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），其中，促黃體生成素和絨毛膜促性腺激素共同作用于促黃體生成素/絨促性素受體（LHCGR），促卵泡激素作用于卵泡刺激素受體（FSHR），促甲狀腺激素作用于促甲狀腺激素受體（TSHR）來發(fā)揮生理功能。與大多數(shù)A類GPCR不同，糖蛋白激素受體有約由340-420個氨基酸構(gòu)成的巨大N端胞外區(qū)結(jié)構(gòu)域（ECD），該結(jié)構(gòu)域由富含亮氨酸的重復(fù)序列構(gòu)成，且存在復(fù)雜的糖基化修飾。鉸鏈區(qū)連接受體的ECD和跨膜區(qū)構(gòu)成全長受體。

　　2005年，韋恩·亨德里克森研究組首次解析了促卵泡激素和卵泡刺激素受體的N端（1-268）胞外段的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了促卵泡激素與受體相互作用的細(xì)節(jié)模式，同時他們提出了該受體在細(xì)胞膜表面可能以二聚體的形式被激活進(jìn)而發(fā)揮生理功能。2012年，另一研究組解析了促卵泡激素與卵泡刺激素受體完整胞外域的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步確證了連接受體胞外端和受體跨膜結(jié)構(gòu)域的鉸鏈區(qū)在激素識別和受體激活過程中的關(guān)鍵作用，并提出糖蛋白激素受體的激活模型，認(rèn)為三聚體可能是受體發(fā)揮生理功能的形式。

　　然而，由于糖蛋白激素受體結(jié)構(gòu)的特殊性，體外獲得全長的該類蛋白困難重重。目前尚無全長糖蛋白激素及其受體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)被報道，極大地限制了人們對于該類受體的激素選擇性，以及受體激活機(jī)制的理解。同時，結(jié)構(gòu)信息的缺乏也制約了靶向該類受體的小分子治療藥物的研發(fā)。

　　聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了3個近原子分辨率的全長LHCGR處于激活狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，包括結(jié)合內(nèi)源性激素絨毛膜促性腺激素的LHCGR（野生型）受體結(jié)構(gòu)、結(jié)合內(nèi)源性激素絨毛膜促性腺激素的LHCGR（含持續(xù)性激活突變S277I）受體結(jié)構(gòu)以及結(jié)合內(nèi)源性激素CG和小分子化合物Org43553的LHCGR（含持續(xù)性激活突變S277I）受體結(jié)構(gòu)。

　　圖說：LHCGR失活狀態(tài)電鏡結(jié)構(gòu)與激活狀態(tài)結(jié)構(gòu)比較以及受體激活模型

　　該研究首次揭示了全長LHCGR的結(jié)構(gòu)，以及絨毛膜促性腺激素與LHCGR相互作用的細(xì)節(jié)。研究人員通過大量嘗試，克服了全長失活受體構(gòu)象高度不穩(wěn)定的技術(shù)難題，最終解析了失活狀態(tài)下全長LHCGR的電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率為3.8埃。通過對比激活LHCGR結(jié)構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn)受體的ECD發(fā)生了大約45度的偏轉(zhuǎn)。通過進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析和功能試驗(yàn)驗(yàn)證，最終提出了LHCGR受體“Push and Pull”的受體激活模型。這也是第一個全長單獨(dú)GPCR的電鏡結(jié)構(gòu)。

　　徐華強(qiáng)表示，研究率先提出了LHCGR的“Push and Pull”激活模型，并證實(shí)了這一獨(dú)特的激活模型在糖蛋白GPCR中的普遍性。此外，研究闡明了小分子化合物Org43553識別LHCGR的分子基礎(chǔ)，為靶向糖蛋白激素受體的小分子藥物開發(fā)奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

　　據(jù)悉，該課題由中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)/蔣軼研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)張巖團(tuán)隊(duì)，精誠合作，合力攻關(guān)，并在中國科學(xué)院上海藥物研究所蔣華良院士、清華大學(xué)協(xié)和醫(yī)院張抒揚(yáng)教授，以及英國劍橋大學(xué)特里斯坦·克羅爾的協(xié)助下完成。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市市級科技重大專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委及浙江省自然基金委等項(xiàng)目的資助。

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