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  • 上海藥物所徐華強/蔣軼團隊合作揭秘糖蛋白激素作用機制

    文章來源:上海藥物研究所  |  發布時間:2021-09-23  |  【打印】 【關閉

      
      2021年9月22日,中國科學院上海藥物研究所徐華強/蔣軼團隊,聯合浙江大學張巖團隊,在Nature雜志上發表了最新研究成果“Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signaling complexes”,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(luteinizing hormone/choriogonadotropin receptor, LHCGR)處于失活狀態和多種激活狀態下的四個結構。該工作揭示了絨毛膜促性腺激素(CG)識別LHCGR的分子機制,揭示了1期臨床實驗的小分子化合物Org43553與受體LHCGR相互作用細節模式;鑒定了糖蛋白激素選擇性結合LHCGR和促卵泡激素(follicle-stimulating hormone,FSH)受體的關鍵氨基酸殘基;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的機制,為臨床開發替代激素治療的小分子藥物具有重要的理論和現實意義。
      激素是人體的化學信使,控制著各個器官的生理功能,而下丘腦和腦下垂體是內分泌激素的控制中心。傳統內分泌系統由三大分支組成,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(luteinizing hormone,LH),促卵泡激素(follicle-stimulating hormone,FSH)和絨毛膜促性腺激素(chorionic gonadotropin,CG)是糖蛋白激素,調控HPG軸的關鍵生理功能,包括人體的性別發育,精子發生和卵子成熟,以及促進第二性特征的發育及維持。另一類糖蛋白激素促甲狀腺激素(thyroid-stimulating hormone,TSH)是HPT軸調節的關鍵糖蛋白激素,主要通過調控機體甲狀腺素的水平從而調節人體代謝。這些激素均為臨床重要的治療藥物,其中FSH和LH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;CG用來誘導女性排卵,增加男性精子數量等。TSH與131I聯合應用于甲狀腺癌術后患者,抑制和消融殘余癌組織等1。盡管幾十年來糖蛋白激素的臨床應用取得了成功,年銷售額達數十億美元,但糖蛋白激素如何激活人體細胞中受體的機制仍然未知。
      四種糖蛋白激素的整體三維結構高度相似,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蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor, GPCR),其中,LH和CG共同作用于促黃體生成素/絨促性素受體(LHCGR),FSH作用于卵泡刺激素受體(FSHR),TSH作用于促甲狀腺激素受體(TSHR)來發揮生理功能。與大多數A類GPCR不同,糖蛋白激素受體有約由340-420個氨基酸構成的巨大N端胞外區結構域(ECD),該結構域由富含亮氨酸的重復序列構成,且存在復雜的糖基化修飾。鉸鏈區連接受體的ECD和跨膜區構成全長受體(圖1)。2005年Wayne A. Hendrickson研究組首次解析了FSH 和FSHR的N端(1-268)胞外段的復合物晶體結構,揭示了FSH與受體相互作用的細節模式,同時他們提出了該受體在細胞膜表面可能以二聚體(dimer)的形式被激活進而發揮生理功能2。2012年,Xiaolin He 研究組解析了FSH與FSHR完整胞外域的復合物晶體結構,進一步確證了連接受體胞外端和受體跨膜結構域的鉸鏈區在激素識別和受體激活過程中的關鍵作用,并提出糖蛋白激素受體的激活模型,認為三聚體可能是受體發揮生理功能的形式3。然而,由于糖蛋白激素受體結構的特殊性,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合物的結構被報道,極大地限制了人們對于該類受體的激素選擇性,以及受體激活機制的理解。同時,結構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。
      聯合研究團隊采用單顆粒冷凍電鏡技術,首次解析了3個近原子分辨率的全長LHCGR處于激活狀態下的結構(圖1),包括結合內源性激素CG的LHCGR(野生型)受體結構(4.3埃)、結合內源性激素CG的LHCGR(含持續性激活突變S277I)受體結構(3.8埃)以及結合內源性激素CG和小分子化合物Org43553的LHCGR(含持續性激活突變S277I)受體結構(3.2埃)。
      
    圖1-糖蛋白激素受體結構模式圖及LHCGR受體與CG和Gs蛋白復合物的冷凍電鏡結構
      該研究首次揭示了全長LHCGR的結構,以及CG與LHCGR相互作用的細節。研究人員通過大量嘗試,克服了全長失活受體構象高度不穩定的技術難題,最終解析了失活狀態下全長LHCGR的電鏡結構,分辨率為3.8埃。通過對比激活LHCGR結構,研究人員發現受體的ECD發生了大約45度的偏轉。通過進一步結構分析和功能試驗驗證,最終提出了LHCGR受體“Push and Pull”的受體激活模型(圖2)。這也是第一個全長單獨GPCR的電鏡結構。
    圖2-LHCGR失活狀態電鏡結構與激活狀態結構比較以及受體激活模型
      此外,研究人員還解析了處于1期臨床試驗中的小分子化合物Org43553與LHCGR相互作用的分子細節,揭示了Org43553的結合口袋,為臨床開發針對LHCGR,FSHR和TSHR的選擇性小分子藥物替代激素治療提供了重要的結構模板。
      綜上,本研究解析了首個糖蛋白激素受體——LHCGR的全長結構,揭示了LHCGR與其內源性激素配體CG的相互作用模式,解決了LHCGR和FSHR對于三種激素LH,CG,FSH的選擇性問題。同時,研究率先提出了LHCGR的“Push and Pull”激活模型,并證實了這一獨特的激活模型在糖蛋白GPCR中的普遍性。最后,本研究闡明了小分子化合物Org43553識別LHCGR的分子基礎,為靶向糖蛋白激素受體的小分子藥物開發奠定了結構基礎。
      本課題由中國科學院上海藥物研究所徐華強/蔣軼研究團隊聯合浙江大學張巖團隊,精誠合作,合力攻關,并在中國科學院上海藥物研究所蔣華良院士、清華大學協和醫院張抒揚教授,以及英國劍橋大學Tristan Croll的協助下完成。上海藥物研究所博士生段佳、徐沛雨、上海藥物研究所程曦副研究員和浙江大學基礎醫學院附屬邵逸夫醫院毛春友研究員,為本文共同第一作者。該工作得到國家重點研發計劃、上海市市級科技重大專項、科技部重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金委及浙江省自然基金委等項目的資助。
    參考文獻
    1.Jiang, X., Dias, J. A. & He, X. Structural biology of glycoprotein hormones and their receptors: insights to signaling. Mol Cell Endocrinol 382, 424-451, doi:10.1016/j.mce.2013.08.021 (2014).
    2.Fan, Q. R. & Hendrickson, W. A. Structure of human follicle-stimulating hormone in complex with its receptor. Nature 433, 269-277, doi:10.1038/nature03206 (2005).
    3.Jiang, X. et al. Structure of follicle-stimulating hormone in complex with the entire ectodomain of its receptor. Proc Natl Acad Sci U S A 109, 12491-12496, doi:10.1073/pnas.1206643109 (2012).
    本研究部分主創人員合影。左起蔣華良、程曦、蔣軼、何欣恒、段佳、尹萬超、劉秋楓、徐沛雨和徐華強。
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