Nature | 上海药物所徐華強/蒋轶团队合作揭秘糖蛋白激素作用机制

  2021年9月22日,中國科學院上海药物研究所徐華強/蒋轶团队,联合浙江大学张岩团队,在Nature杂志上发表了最新研究成果“Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signaling complexes”,首次解析了糖蛋白激素GPCR,即全长黄体生成素/绒毛膜促性腺激素受体(luteinizing hormone/choriogonadotropin receptor, LHCGR)处于失活状态和多种激活状态下的四个结构。该工作揭示了绒毛膜促性腺激素(CG)识别LHCGR的分子机制,揭示了1期临床实验的小分子化合物Org43553与受体LHCGR相互作用细节模式;鉴定了糖蛋白激素选择性结合LHCGR和促卵泡激素(follicle-stimulating hormone,FSH)受体的关键氨基酸残基;提出了激素配体激活受体的“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,爲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。
  激素是人体的化学信使,控制着各个器官的生理功能,而下丘脑和脑下垂体是内分泌激素的控制中心。传统内分泌系统由三大分支组成,即下丘脑-垂体-性腺轴(HPG)、下丘脑-垂体-甲状腺轴(HPT)和下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)。其中,三种促性腺激素,包括促黄体生成素(luteinizing hormone,LH),促卵泡激素(follicle-stimulating hormone,FSH)和绒毛膜促性腺激素(chorionic gonadotropin,CG)是糖蛋白激素,调控HPG轴的关键生理功能,包括人体的性别发育,精子发生和卵子成熟,以及促进第二性特征的发育及维持。另一类糖蛋白激素促甲状腺激素(thyroid-stimulating hormone,TSH)是HPT轴调节的关键糖蛋白激素,主要通过调控机体甲状腺素的水平从而调节人体代谢。这些激素均为临床重要的治疗药物,其中FSH和LH用于辅助生殖及体外受精,以及治疗女性不孕症和男性促性腺功能减退症等;CG用来诱导女性排卵,增加男性精子数量等。TSH与131I聯合應用于甲狀腺癌術後患者,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。
  四种糖蛋白激素的整体三维结构高度相似,均由一条保守的α链和激素特异性的β链组成。糖蛋白激素受体为A类G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR),其中,LH和CG共同作用于促黄体生成素/绒促性素受体(LHCGR),FSH作用于卵泡刺激素受体(FSHR),TSH作用于促甲状腺激素受体(TSHR)来发挥生理功能。与大多数A类GPCR不同,糖蛋白激素受体有约由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。2005年Wayne A. Hendrickson研究组首次解析了FSH 和FSHR的N端(1-268)胞外段的复合物晶体结构,揭示了FSH与受体相互作用的细节模式,同时他们提出了该受体在细胞膜表面可能以二聚体(dimer)的形式被激活进而发挥生理功能2。2012年,Xiaolin He 研究组解析了FSH与FSHR完整胞外域的复合物晶体结构,进一步确证了连接受体胞外端和受体跨膜结构域的铰链区在激素识别和受体激活过程中的关键作用,并提出糖蛋白激素受体的激活模型,认为三聚体可能是受体发挥生理功能的形式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複合物的結構被報道,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蛋白複合物的冷凍電鏡結構
  该研究首次揭示了全长LHCGR的结构,以及CG与LHCGR相互作用的细节。研究人员通过大量尝试,克服了全长失活受体构象高度不稳定的技术难题,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,研究人员发现受体的ECD发生了大约45度的偏转。通过进一步结构分析和功能试验验证,最终提出了LHCGR受体“Push and Pull”的受体激活模型(图2)。这也是第一个全长单独GPCR的电镜结构。

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,爲臨床開發針對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。
  综上,本研究解析了首个糖蛋白激素受体——LHCGR的全长结构,揭示了LHCGR与其内源性激素配体CG的相互作用模式,解决了LHCGR和FSHR对于三种激素LH,CG,FSH的选择性问题。同时,研究率先提出了LHCGR的“Push and Pull”激活模型,并证实了这一独特的激活模型在糖蛋白GPCR中的普遍性。最後,本研究闡明了小分子化合物Org43553識別LHCGR的分子基礎,爲靶向糖蛋白激素受體的小分子藥物開發奠定了結構基礎。
  本课题由中國科學院上海药物研究所徐華強/蒋轶研究团队联合浙江大学张岩团队,精诚合作,合力攻关,并在中國科學院上海药物研究所蔣華良院士、清华大学协和医院张抒扬教授,以及英国剑桥大学Tristan Croll的协助下完成。上海药物研究所博士生段佳、徐沛雨、上海药物研究所程曦副研究员和浙江大学基础医学院附属邵逸夫医院毛春友研究员,为本文共同第一作者。该工作得到国家重点研发计划、上海市市级科技重大专项、科技部重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委及浙江省自然基金委等项目的资助。
  全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03924-2
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).
本研究部分主创人员合影。左起蔣華良、程曦、蒋轶、何欣恒、段佳、尹万超、刘秋枫、徐沛雨和徐華強。
     (供稿部门:徐華強课题组)