作者:李清波 来源:中国科学报 发布时间:2023/6/18 16:27:17
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四零件组装分子机器,成功解密新陈代谢开关

“为糖尿病、慢性肾病等代谢性疾病的药物研发提供了结构信息”,6月7日,一篇名为《FGF激素信号传导的结构基础》的论文在《自然》在线发表,给刚刚成立两周年的浙江瓯江实验室送上了一个生日礼物。新闻发布会上,中国工程院院士、瓯江实验室首席科学家李校堃把Klotho蛋白比作烛光里的纺织女神,把硫酸乙酰肝素(以下简称肝素)比作黑夜中的烛光,女神手持两根FGFR(受体)纺针,四者协同作用,传递生命的信号,编织着生命的神奇。

“这项研究是纤维细胞生长因子领域的全新发现,彻底推翻过去近三十年科学界对于FGF信号激活机制模式的固有认知”,李校堃表示,“完成了FGF信号激活胞外区域的‘最后一张拼图’。”

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陈高帜教授、李校堃院士、穆萨·穆罕默迪研究员三位通讯作者合影。受访者供图

李校堃、温州医科大学教授陈高帜、瓯江实验室研究员穆萨·穆罕默迪为通讯作者,杭州医学院副研究员陈凌峰、温州医科大学博士生付丽丽、西湖大学研究员孙京川、温州医科大学硕士生黄志强和方明真为论文共同第一作者。

见证生命周期的生长因子家族

整个纤维细胞生长因子(FGF)家族成员有着“高度保守”的特点,从线虫到人类,每一种动物体内都有它们的身影,它们在关键功能区域点位都高度相似,是维持代谢、组织稳态和发育的直接操盘手。

迄今为止,FGF家族共有18个多肽成员,按照被发现先后顺序,命名FGF家族编号最后编号到达了23,后来研究人员合并和剔除了一些编号,只留下了18个成员,20多年未曾发现新的家族成员。这18个成员又被分为5个旁分泌亚家族和1个内分泌亚家族,调节多种细胞的迁移、增殖、分化、存活、代谢活动和神经功能,整个家族与数十种疑难疾病密切相关。

其中,内分泌亚家族成员与2型糖尿病、肥胖、非酒精性脂肪性肝炎、慢性肾脏疾病等多种疾病有关。它们是调节胆汁酸、脂质、葡萄糖、维生素D和矿物质离子稳态的重要激素,也是治疗一系列代谢性疾病的重要靶点。

FGF通过旁分泌或内分泌方式发挥作用,18个配体与7个受体(成纤维细胞生长因子受体,简称FGFR)以及其他分子化合物组合,从而开启了信号转换,搭建起细胞对外交流的一座桥梁。

FGF家族作为治疗代谢性疾病的重要靶点被给予了厚望,多种相关药物都已上市。FGF家族也是课题组一直以来的专攻领域,李校堃以FGF作为研究对象开发了组织损伤与再生修复新药“艾夫吉夫”等,在药店中随处可见。

陈高帜表示,为了加快糖尿病,慢性肾病等代谢性疾病的药物研发,我们以内分泌亚家族成员FGF23为目标开展研究,力图揭示其中重要的信息结构。

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穆萨·穆罕默迪和陈高帜在实验室内。受访者供图

穆罕默迪形象地描述了FGF的作用,“如果新陈代谢是一盏灯,那FGF是开关方式之一,我们首次找寻到了FGF调节代谢的工作原理,为日后打开、关闭或修理灯提供了途径。为调控类药物研发提供工作原理和关键信息。”

配体找受体 完成“装置”组装

纤维细胞生长因子家族中18个多肽功能各异,怀揣着不同的信息任务,游走在细胞液和血管中,它们具体是怎样帮助细胞激活下游信号通路,调控发育,分化,增殖,再生等生命过程,是一个极为复杂的过程。

细胞与外界沟通,需要一个连接内外部的信号转换“装置”,第一个零件是由细胞分泌出的受体。细胞膜向外释放出受体,犹如细长的“头发”,发梢朝外,发根在内。细胞外的“发梢”碰到合适的条件,它就可以拉拽其他“头发”完成 “二聚化”的过程,形成“二聚体”,在细胞膜外部完成了“装置”的组装。紧接着,两跟“发根”激酶域贴在一起,在细胞膜内相互磷酸化,细胞内也完成了组装。至此,一个完整的信号转换“装置”诞生了。

组装信号转换“装置”的核心就在于“拉拽”这一动作,围绕这个不起眼的“动作”,科学家已经研究了几十年。

在微观尺度下,信号转换“装置”的组装过程非常难以察觉。2018年,陈高帜作为第一作者,在导师李校堃和穆罕默迪的指导下在《自然》发表了一篇论文,首次揭示了αKlotho蛋白是如何“拉拽”一个配体与一个受体相互结合,维持三元复合物的稳定性,当时的研究中,科学家普遍认为“装置”是三种蛋白质组装而成,虽然知道另外一个“拉拽”工具——肝素(HS)的存在,作为共同受体也起到了一定的作用,但是始终未观察到实际证据。

陈高帜说,当时使用的X射线衍射技术,蛋白复合物添加了肝素后,变得非常难以结晶,直到后来使用冷冻电镜技术,才解决了这个大问题。

新解析的四元复合物比三元复合物多出的一“元”就是由肝素“拉拽”而来。原本1:1:1的三元复合物,变成了1:2:1的不对称模型。至此,课题组团队世界上首次发现了异源二聚体模型,被科学家所普遍认可二十多年的对称的二聚化模型不再是唯一。这种不对称模型可以推广到FGF旁分泌亚家族,FGF整个家族的秘密即将揭晓。

陈凌峰说,细胞膜内“发梢”激酶域的磷酸化、四元复合物的结构解析、异源不对称受体模型的发现、肝素的独特作用、内分泌亚家族可以通用该模型等多个发现,每一个都是世界难题。FGF旁分泌家族、内分泌家族在细胞膜内外信号激活都已经没有必要做冷冻电镜分析结构信息,为该领域的研究画上了一个完美的句号。

肝素展现“月老”绝活

旁分泌亚家族的多肽作为配体,从细胞中分离出来,非常轻易地与“邻居”细胞的受体结合,没法出远门。

而内分泌亚家族的多肽就活跃得多,FGF23最主要来源于骨头,而发挥作用主要肾脏,FGF21诞生于肝脏,却在脂肪中大显身手,FGF19诞生肠道,活跃在肝脏。

内分泌亚家族的多肽通过细胞液、血液进入体内循环深入各个器官,寻寻觅觅,完成着作为配体的使命,镶嵌在细胞膜外,其中的关键就是肝素的“撮合”。

受体有7个成员,在过去传统认知中,科学家们认为只有相同受体才能结合形成同源二聚体,然而,新发现证明了不同受体也可以被“拉拽”,肝素展现出 “月老”绝活。

肝素在细胞膜外很常见,而且体积小,很容易被忽视。其他科学家早已证明,没有肝素,信号激活装置根本无法完成组转,但是谁也没有料到,细胞膜外如此常见的肝素竟然作用独特。团队用冷冻电镜揭秘了三个四元复合物单颗粒的微观结构时发现,肝素这个不起眼的“小个子”其实是个共受体,还可以和αKlotho蛋白一起,并且给一个三元复合物“拉拽”一个单独的受体,肝素“拉拽”不同的受体,为科学家完整展示了异源二聚体激活这一关键步骤。

肝素从存在感“低微”一下跃升到了非常重要的地位。

“这并不是对原有的对称性模型的全盘否定,只是在对称模型之外,观察到了更加复杂的不对称模型,进而发现了更加神奇的现象。”陈高帜解释道。

柳暗花明 完成世界级难题

早在2000年,穆罕默迪教授作为纤维细胞生长因子专家就解析了FGF同源二聚化激活对称模型。之后的20多年里,人们始终认为同源二聚化激活对称模型是唯一的模型,2018年,穆罕默迪和李校堃作为通讯作者在Nature发文解读了FGF23在信号传导中共受体作用机制,2023年,穆罕默迪又和中国科学家团队围绕FGF23再次刊发重磅科研成果,彻底解开了这个谜团。

这项成功的中外合作来源于穆罕默迪和李校堃一次在高登研究会议上的相遇,二人一见如故,相逢恨晚,相同的学术道路和志向追求让二人约定今后一定要加强合作,互通有无。此后,李校堃邀请穆罕默迪来华演讲,聘请他担任温州医科大学的客座教授,而李校堃的学生们也不断被派往穆罕默迪的实验室进修学习。两年前,瓯江实验室成立后,作为首席科学家的李校堃又聘请退休的穆罕默迪为实验室的资深研究员,在中国继续开展协同攻关。

陈高帜、陈凌峰两位师兄弟是先后前往穆罕默迪实验室,陈高帜是2018年上一篇Nature论文的第一作者,也是这篇论文的通讯作者之一,在两位师长的指导下,年仅35岁的陈高帜就手握两篇顶刊论文。

2018年3月份,完成三元复合物解析的师兄陈高帜准备回国,同时,在国家留学基金委和中国科协的资助下,论文共同第一作者、当时博士在读的陈凌峰也来到穆罕默迪位于纽约大学的实验室,接替师兄继续在纽约大学工作,准备攻克四元复合物这个难关。

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陈凌峰在穆罕默迪实验室处理FGFR高表达细胞。本人供图

2018年,当时穆罕默迪并没有多少博士生和博士后,陈凌峰独自开始重点攻关四元复合物的蛋白质结构解析,半年来没有丝毫进展,“当时,穆萨教授都差点放弃,现在回头看发现,缓一缓思路说不定就打开了,”陈凌峰在穆罕默迪的同意下,停下了科研的脚步,把目光从细胞膜外转到细胞膜内,首先完成了FGF23受体胞内信号激活装置机制的研究,解决这项世界级难题的论文刊登在《Nature Chemical Biology》,陈凌峰再掉头继续攻关四元复合物,进展出奇得顺利。

解析模型过程中,难点就在于蛋白的纯化。分析用的高纯度蛋白质复合物要求质量过关、稳定性强。四元复合物怎么拼起来,怎样确保蛋白质在样品载网上分散均匀是最大的难点。“如果蛋白质都是躺着的状态,就拍不到它的三维形态全貌,我们还请教了世界上冷冻电镜最权威的专家,也毫无办法”。陈凌峰并没有遵从冷冻电镜的使用惯例,想出超常规办法,把 “挤成一坨”的蛋白质处理后放到冷冻电镜之前,最终成功解析出其结构,“也庆幸当时不用排队使用设备”。

完成结构解析后,陈凌峰将后续工作交给了课题组的国内同事,瓯江实验室、温州医科大学多位硕博士接力完成了后续实验,在细胞水平开展结构的验证工作,验证冷冻电镜观察到的四元复合物是否在细胞上发生。

除了蛋白纯化的超高难度,还有心理上的压力。陈高帜回忆道,花费多年没有科研产出,在任何一个课题组都很有压力,最难的时候,感觉这项工作做的让人筋疲力尽。不过,每次阅读文献,看到国际同行仍然没有人抢发这一领域的新进展,自己又给自己打气。

“好不容易论文写好准备投稿,差点折戟沉沙。”提起第二篇论文一波三折的投稿历程,陈高帜也是一言难尽。

在投稿前,团队向第一次投稿时接收论文的Nature期刊编辑发送了一封邮件,简单问候之后表示团队又有一项重要成果,得知对方正在休假。期刊安排了另一位编辑负责论文的接收,在预投稿阶段,课题组很快迎来“当头一棒”,论文被拒稿了。

穆罕默迪从编辑回复的邮件字里行间推敲出,编辑对论文不感兴趣,很可能是看到这又是一篇关于FGF23的论文,就丧失了阅读兴趣,大概率没有仔细看过,而且预投稿阶段只有短短一段的成果介绍,没有图表数据,信息量太少,完全体现不出论文的重要性。

于是,科研团队大胆尝试直接投全文。“要是被拒绝了,就彻底与Nature无缘了,穆萨教授做好了失败的准备,大不了转投其他杂志。”陈凌峰回忆道。

穆罕默迪又向期刊编辑发了一封言辞恳切的信,请对方重新阅读论文,最终编辑回信,“很抱歉,我们之前没有特别的关注到这个创新点,希望投到这边来了。”看到期刊编辑收回决定,接纳论文,这才松了一口气。

陈高帜说,“假设我们的成果属于那种不上不下、可上可下的水平,论文大概率被拒掉。”

在结构生物学领域,李校堃、陈高帜团队更偏向于药理方面的研究。接下来,陈高帜的任务仍然是沿着这条道路钻研,“我们把这台机器给剖析研究透了,后面的思路就是研究它如何开慢点或者开快点,开发合适的药物来影响细胞信号激活的路径,以此找到一条治疗代谢性疾病的可行性出路”。

 
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