作者:田瑞颖 来源: 中国科学报 发布时间:2021/9/23 9:32:07
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打开糖蛋白激素作用机制“黑匣子”

 

■本报见习记者 田瑞颖

糖蛋白激素是辅助生殖、治疗甲状腺等疾病的关键药物。近几十年来,虽然糖蛋白激素临床应用已经取得很大成功,但它如何激活人体细胞中的受体机制,是长期以来科研人员难以打开的“黑匣子”。

在9月22日发表于《自然》的一项研究中,中国科学院上海药物研究所(以下简称上海药物所)研究员徐华强、蒋轶、蒋华良等联合浙江大学教授张岩团队、北京协和医院院长张抒扬团队,打开了这个“黑匣子”。他们首次解析了糖蛋白激素受体,即全长促黄体生成素/绒毛膜促性腺激素受体(LHCGR)处于失活状态和多种激活状态下的4个结构,为糖蛋白激素如何识别与激活其受体提供了详细的分子机制,有助于临床开发替代激素治疗的小分子药物。

起底“激活状态”下的受体结构

糖蛋白激素主要分为两类。一类是促性腺激素,包括促黄体生成素(LH)、促卵泡激素(FSH)和绒毛膜促性腺激素(CG);另一类是促甲状腺激素(TSH)。激活人体细胞中的受体机制始终未知,极大限制了人们对该类受体的激素选择性。此外,结构信息缺乏也制约了靶向该类受体的小分子治疗药物研发。

糖蛋白激素受体结构之所以难解,与其特殊性有密切关系。糖蛋白激素受体为A类G蛋白偶联受体(GPCR),但与大多数A类GPCR不同,它包含由340~420个氨基酸构成的巨大N端胞外区结构域(ECD)。该结构域由富含亮氨酸的重复序列构成,且存在复杂的糖基化修饰。

徐华强告诉《中国科学报》:“因为结构特殊,糖蛋白激素受体很难重组表达。此外,除了传统的跨膜区,它还有一个较大的胞外区,也造成其表达非常不稳定。”

体外获得全长激素受体可谓困难重重。论文第一作者、上海药物所博士研究生段佳告诉《中国科学报》:“摆在我们面前的第一个难题就是CG配体。一般情况下,我们都是自己表达纯化配体,但‘折腾’了两个月后,发现效果并不理想。”

在一次上网查资料时,她惊喜地发现医院有现成的CG处方药,“如果使用处方药,可能效果会不错”。后续实验证明了这一猜想,他们进而解决了CG配体的难题。

但常规方法制备出的蛋白量不仅很少,结果也不稳定。通过查阅文献,段佳发现,糖蛋白激素受体存在很多点突变,这些突变会引起一系列疾病。为此,她对文献中涉及的所有突变进行筛选,最后锁定了能够使受体持续性激活的突变S277I。“通过引入这一突变,不仅让受体更加稳定,还提高了受体的表达量。”

在单颗粒冷冻电镜技术的“加持”下,研究团队最终解析了3个近原子分辨率的全长LHCGR处于激活状态下的结构,包括结合内源性激素CG的LHCGR(野生型)受体结构(4.3埃)、结合内源性激素CG的LHCGR(含持续性激活突变S277I)受体结构(3.8埃)以及结合内源性激素CG和小分子化合物Org43553的LHCGR(含持续性激活突变S277I)受体结构(3.2埃)。

不能缺位的“失活状态”

解开激活状态下的全长LHCGR结构谜团,只是第一步。“很多现象仅靠解析激活状态下的结构是不够的。”段佳说,“以往解析GPCR时,都是配体与受体的跨膜区相互作用后,引起跨膜区的构象变化,进而激活受体。但对于糖蛋白激素受体的激活,配体仅仅与受体胞外域相互作用,在没有接触到受体跨膜区的情况下,仍然能够引起跨膜区构象的变化。”

这意味着,只有继续解析失活状态下的糖蛋白激素受体结构,才能完整揭示该类受体的激活机制。虽然激活状态下的解析工作为后续研究奠定了重要基础,但仍然遇到了很多困难。

“在开展这项研究之前,没有任何单独GPCR的冷冻电镜结构报道。而糖蛋白激素受体非常不稳定,可能纯化过程中就降解了。”段佳说。

团队又尝试了很多办法,但效果并不明显。他们想,也许在纯化蛋白过程中加入小分子抑制剂能使蛋白更加稳定。通过这种方式,团队克服了全长失活受体构象高度不稳定的技术难题,并通过扩大数据量,最终解析了失活状态下全长LHCGR的电镜结构,分辨率为3.8埃。

通过对比激活LHCGR结构,团队发现受体的ECD发生了大约45度偏转。进一步通过结构分析和功能试验验证,他们最终提出了糖蛋白激素受体激活的“推拉”模型。“这是第一个全长单独GPCR的电镜结构。”徐华强说。

助攻小分子药物研发

近年来,小分子药物研发逐渐表现出巨大优势,也越来越受到患者和市场的青睐。徐华强表示:“一方面,小分子药物可以口服,减少了患者身体痛苦和心理负担;另一方面,小分子药物可控性和依从性更强,可以做到定时定量。”

为此,研究人员还解析了处于1期临床试验中的小分子化合物Org43553与LHCGR相互作用的分子细节,揭示了Org43553的结合口袋,为临床开发针对LHCGR、FSHR和TSHR的选择性小分子药物替代激素治疗提供了重要的结构模板。

实际上,国内外对糖蛋白激素的关注由来已久。10年前,徐华强团队就开始研究糖蛋白激素受体结构,但受限于当时的结构解析技术,研究仅开展两年便被迫搁置。

两年前,徐华强团队联合合作者重启该项目。在他看来,研究之所以成功,除了冷冻电镜技术的进步,还得益于上海药物所的技术和平台支撑、不同方向团队的精诚合作。

“糖蛋白激素受体结构解析只是第一步,也是最关键的一步。虽然糖蛋白激素作用机制在整个家族是通用的,但与受体之间也存在特异性,仍然需要结构生物学来解答。此外,我们还希望进一步解析FSH和TSH等受体结构,揭示不孕不育、甲亢或甲减等疾病的分子机制,为治疗相关疾病药物的研发提供结构基础。”徐华强表示。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03924-2

《中国科学报》 (2021-09-23 第1版 要闻)
 
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