解析糖蛋白激素受體！打開糖蛋白激素作用機制“黑匣子”

　　糖蛋白激素是輔助生殖、治療甲狀腺等疾病的關鍵藥物。近幾十年來，雖然糖蛋白激素臨床應用已經取得很大成功，但它如何激活人體細胞中的受體機制，是長期以來科研人員難以打開的“黑匣子”。

　　在9月22日發表于《自然》的一項研究中，中國科學院上海藥物研究所（以下簡稱上海藥物所）研究員徐華強、蔣軼、蔣華良等聯合浙江大學教授張巖團隊、北京協和醫院院長張抒揚團隊，打開了這個“黑匣子”。他們首次解析了糖蛋白激素受體，即全長促黃體生成素/絨毛膜促性腺激素受體（LHCGR）處于失活狀態和多種激活狀態下的4個結構，為糖蛋白激素如何識別與激活其受體提供了詳細的分子機制，有助于臨床開發替代激素治療的小分子藥物。

　　起底“激活狀態”下的受體結構

　　糖蛋白激素主要分為兩類。一類是促性腺激素，包括促黃體生成素（LH）、促卵泡激素（FSH）和絨毛膜促性腺激素（CG）；另一類是促甲狀腺激素（TSH）。激活人體細胞中的受體機制始終未知，極大限制了人們對該類受體的激素選擇性。此外，結構信息缺乏也制約了靶向該類受體的小分子治療藥物研發。

　　糖蛋白激素受體結構之所以難解，與其特殊性有密切關系。糖蛋白激素受體為A類G蛋白偶聯受體（GPCR），但與大多數A類GPCR不同，它包含由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。

　　徐華強告訴《中國科學報》：“因為結構特殊，糖蛋白激素受體很難重組表達。此外，除了傳統的跨膜區，它還有一個較大的胞外區，也造成其表達非常不穩定。”

　　體外獲得全長激素受體可謂困難重重。論文第一作者、上海藥物所博士研究生段佳告訴《中國科學報》：“擺在我們面前的第一個難題就是CG配體。一般情況下，我們都是自己表達純化配體，但‘折騰’了兩個月后，發現效果并不理想。”

　　在一次上網查資料時，她驚喜地發現醫院有現成的CG處方藥，“如果使用處方藥，可能效果會不錯”。后續實驗證明了這一猜想，他們進而解決了CG配體的難題。

　　但常規方法制備出的蛋白量不僅很少，結果也不穩定。通過查閱文獻，段佳發現，糖蛋白激素受體存在很多點突變，這些突變會引起一系列疾病。為此，她對文獻中涉及的所有突變進行篩選，最后鎖定了能夠使受體持續性激活的突變S277I。“通過引入這一突變，不僅讓受體更加穩定，還提高了受體的表達量。”

　　在單顆粒冷凍電鏡技術的“加持”下，研究團隊最終解析了3個近原子分辨率的全長LHCGR處于激活狀態下的結構，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）。

　　不能缺位的“失活狀態”

　　解開激活狀態下的全長LHCGR結構謎團，只是第一步。“很多現象僅靠解析激活狀態下的結構是不夠的。”段佳說，“以往解析GPCR時，都是配體與受體的跨膜區相互作用后，引起跨膜區的構象變化，進而激活受體。但對于糖蛋白激素受體的激活，配體僅僅與受體胞外域相互作用，在沒有接觸到受體跨膜區的情況下，仍然能夠引起跨膜區構象的變化。”

　　這意味著，只有繼續解析失活狀態下的糖蛋白激素受體結構，才能完整揭示該類受體的激活機制。雖然激活狀態下的解析工作為后續研究奠定了重要基礎，但仍然遇到了很多困難。

　　“在開展這項研究之前，沒有任何單獨GPCR的冷凍電鏡結構報道。而糖蛋白激素受體非常不穩定，可能純化過程中就降解了。”段佳說。

　　團隊又嘗試了很多辦法，但效果并不明顯。他們想，也許在純化蛋白過程中加入小分子抑制劑能使蛋白更加穩定。通過這種方式，團隊克服了全長失活受體構象高度不穩定的技術難題，并通過擴大數據量，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，團隊發現受體的ECD發生了大約45度偏轉。進一步通過結構分析和功能試驗驗證，他們最終提出了糖蛋白激素受體激活的“推拉”模型。“這是第一個全長單獨GPCR的電鏡結構。”徐華強說。

　　助攻小分子藥物研發

　　近年來，小分子藥物研發逐漸表現出巨大優勢，也越來越受到患者和市場的青睞。徐華強表示：“一方面，小分子藥物可以口服，減少了患者身體痛苦和心理負擔；另一方面，小分子藥物可控性和依從性更強，可以做到定時定量。”

　　為此，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。

　　實際上，國內外對糖蛋白激素的關注由來已久。10年前，徐華強團隊就開始研究糖蛋白激素受體結構，但受限于當時的結構解析技術，研究僅開展兩年便被迫擱置。

　　兩年前，徐華強團隊聯合合作者重啟該項目。在他看來，研究之所以成功，除了冷凍電鏡技術的進步，還得益于上海藥物所的技術和平臺支撐、不同方向團隊的精誠合作。

　　“糖蛋白激素受體結構解析只是第一步，也是最關鍵的一步。雖然糖蛋白激素作用機制在整個家族是通用的，但與受體之間也存在特異性，仍然需要結構生物學來解答。此外，我們還希望進一步解析FSH和TSH等受體結構，揭示不孕不育、甲亢或甲減等疾病的分子機制，為治療相關疾病藥物的研發提供結構基礎。”徐華強表示。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03924-2