Nature,|,徐華强/蔣軼/張岩揭秘糖蛋白激素作用機制

促黃體激素和絨毛膜促性腺激素是與促卵泡激素和促甲狀腺激素有關的糖蛋白激素。促黃體激素和絨毛膜促性腺激素對人類生殖至關重要,是重要的治療藥物。它們通過與大的細胞外結構域結合來啟動相同的G蛋白偶聯受體,即促黃體激素-絨毛膜促性腺激素受體。下丘腦和腦下垂體是內分泌激素的控制中心。

來源:iNature(ID:Plant_ihuman)

促黃體激素和絨毛膜促性腺激素是與促卵泡激素和促甲狀腺激素有關的糖蛋白激素。促黃體激素和絨毛膜促性腺激素對人類生殖至關重要,是重要的治療藥物。它們通過與大的細胞外結構域結合來啟動相同的G蛋白偶聯受體,即促黃體激素-絨毛膜促性腺激素受體(LHCGR)。

2021年9月22日,中國科學院上海藥物研究所徐華强/蔣軼課題組,聯合浙江大學張岩課題組,共同在Nature雜誌上發表了最新研究成果“Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signaling complexes”,首次解析了全長LHCGR處於多種啟動狀態和失活狀態下共四個結構。該項工作揭示了CG與LHCGR相互作用的細節模式,闡明了决定LHCGR和FSHR對於CG,LH以及FSH選擇性的關鍵胺基酸殘基,並揭示了受體從失活狀態到啟動狀態的結構變化,提出了激素配體啟動受體的結構模式圖,並進一步揭示了處於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,為臨床開發替代激素治療的小分子藥物提供結構依據。

激素是人體的化學信使,控制著各個器官的生理功能。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: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HPG軸主要調控人體的性別發育,精子發生和卵子成熟,促進第二性特徵的發育及維持;HPT軸主要調控機體甲狀腺素的水准從而調節人體代謝;而HPA軸主要參與控制應激等許多身體活動,如消化,心情和情緒等。糖蛋白激素主要包括三種促性腺激素,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),以及第四種促甲狀腺激素(thyroid-stimulating hormone,TSH),參與調控HPG軸和HPT軸的生理功能。

糖蛋白激素作用於細胞膜受體來發揮其生物學功能,該類激素均為臨床重要的治療藥物,其中FSH和LH用於輔助生殖及體外受精,以及治療女性不孕症和男性促性腺功能減退症等;CG用來誘導女性排卵,新增男性精子數量等。TSH與131I聯合應用於甲狀腺癌術後患者,抑制和消融殘餘癌組織等1。儘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,但糖蛋白激素如何啟動人體細胞中的受體機制仍然未知。

四種糖蛋白激素在三維結構上非常相似,他們由兩條鏈(α,β)構成,共亯α鏈,而由特异的β鏈來决定受體的選擇性。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共同作用於促黃體生成素/絨促性素受體(LHCGR),FSH作用於卵泡刺激素受體(FSHR),TSH作用於促甲狀腺激素受體(TSHR)來發揮生理功能。糖蛋白激素受體與大多數A類GPCR不同的是,其具有巨大的N端胞外區結構域(ECD),約由340-420個胺基酸構成,該結構域由富含亮氨酸的重複序列構成,且存在複雜的糖基化修飾,鉸鏈區連接受體的胞外端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)胞外段的複合物晶體結構,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雙體(dimer)的形式被激活進而發揮生理功能2。隨後,在2012年,Xiaolin He研究組解析了FSH與FSHR完整胞外域的複合物晶體結構,進一步揭示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啟動過程中發揮的重要作用,同時,文章中首次提出了糖蛋白激素受體的啟動模型,並認為三聚體形式可能是受體發揮生理功能的狀態3

由於糖蛋白激素受體結構的特殊性,使得體外表達純化該類全長受體非常困難,從而極大地限制了人們對於該類受體的激素選擇性,以及啟動機制的研究。同時,結構資訊的缺乏也成為了靶向該類受體的小分子治療藥物研發的瓶頸。

研究團隊採用單顆粒冷凍電鏡科技,首次解析了3個近原子分辯率的全長LHCGR處於啟動狀態下的結構(圖1):分別是結合內源性激素CG的LHCGR(野生型)受體結構(4.3Å)、結合內源性激素CG的LHCGR(含持續性啟動突變S277I)受體結構(3.8Å)以及結合內源性激素CG和小分子化合物Org43553的LHCGR(含持續性啟動突變S277I)受體結構(3.2Å)。

圖1-糖蛋白激素結構模式圖及LHCGR受體與CG和Gs蛋白複合物的冷凍電鏡結構

該研究首次揭示了LHCGR的全長結構,以及CG與LHCGR相互作用的細節模式。LHCGR的ECD包含11個不規則的亮氨酸折疊片,形成一個彎曲的馬蹄形結構,鉸鏈區包含一個α螺旋和第10和11亮氨酸折疊片,CG主要與受體的ECD上端結合,通過類似一種手扣手的管道與受體凹面內表面結合,CG表面與受體內表面形成電性互補。通過對比FSH/FSHR_ECD的結構,研究人員首次揭示了决定LHCGR和FSHR對於LH,CG,FSH選擇性關鍵結構域(圖2)。

圖2-LHCGR受體與CG相互作用細節以及與FSH/FSHR_ECD結構比較

為進一步瞭解LHCGR的啟動機制,研究人員通過大量嘗試,最終解析了全長LHCGR處於失活狀態下的電鏡結構,分辯率為3.8Å。通過對比處於失活狀態和啟動狀態下的LHCGR,研究人員發現受體的ECD部分發生了大約45度的偏轉,進一步通過結構分析和功能試驗驗證,最終提出了LHCGR受體“push and pull”的結構啟動模型。這也是第一個全長單獨GPCR的電鏡結構。

圖3-LHCGR失活狀態電鏡結構與啟動狀態結構比較以及受體啟動模型

從結構中,我們可以看出,CG主要與受體的胞外區結合,那麼受體又是如何與激素配體結合後將這種啟動訊號向下傳遞至跨膜區的呢?通過結構分析可以看出,受體ECD與跨膜區相互作用的介面主要有兩個,其一是受體的鉸鏈區α螺旋與受體胞外loop 1(ECL1)之間,其二是受體鉸鏈區的C末端與受體的跨膜區上部形成廣泛的相互作用。鉸鏈區的C末端存在著10個保守的胺基酸殘基(P10),在三個糖蛋白激素受體中完全相同,這十個胺基酸對於受體的啟動十分重要,也從側面反映糖蛋白激素受體結構及啟動機制的保守性。

圖4-LHCGR啟動訊號從受體胞外端向跨膜區傳遞介面

另外,研究人員還解析了處於1期臨床實驗中的小分子化合物Org43553與LHCGR相互作用的細節模式,揭示了Org43553的結合口袋,為臨床開發針對LHCGR,FSHR,以及TSHR的選擇性小分子化合物替代激素治療提供了結構範本。

圖5-Org43553與LHCGR相互作用細節

綜上,本研究首次揭示了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,揭示了LHCGR和FSHR對於三種激素LH,CG,FSH的選擇性問題,同時,也闡釋了LHCGR的結構啟動模型,鑒於糖蛋白激素受體結構的保守性,該啟動模型同樣適用於兩外兩種受體。最後,本研究進一步揭示了小分子化合物Org43553與受體LHCGR相互作用的細節模式,為靶向糖蛋白激素受體的小分子藥物開發提供了結構基礎。

本課題由中國科學院上海藥物研究所徐華强/蔣軼研究團隊聯合浙江大學張岩團隊,精誠合作,合力攻關,並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、浙江大學基礎醫學院附屬邵逸夫醫院毛春友研究員,上海藥物研究所程曦副研究員為本文共同第一作者。該工作得到國家重點研發計畫、上海市市級科技重大專項、科技部重點研發計畫、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 Endocrinol382,424-451,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.Nature433,269-277,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 A109,12491-12496,doi:10.1073/pnas.1206643109(2012).

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資料標籤: 糖蛋白 激素 張岩 藥品
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