解析糖蛋白激素受体！打开糖蛋白激素作用机制“黑匣子”

　　糖蛋白激素是辅助生殖、治疗甲状腺等疾病的关键药物。近几十年来，虽然糖蛋白激素临床应用已经取得很大成功，但它如何激活人体细胞中的受体机制，是长期以来科研人员难以打开的“黑匣子”。

　　在9月22日发表于《自然》的一项研究中，中国科学院上海药物研究所（以下简称上海药物所）研究员徐华强、蒋轶、蒋华良等联合浙江大学教授张岩团队、北京协和医院院长张抒扬团队，打开了这个“黑匣子”。他们首次解析了糖蛋白激素受体，即全长促黄体生成素/绒毛膜促性腺激素受体（LHCGR）处于失活状态和多种激活状态下的4个结构，为糖蛋白激素如何识别与激活其受体提供了详细的分子机制，有助于临床开发替代激素治疗的小分子药物。

　　起底“激活状态”下的受体结构

　　糖蛋白激素主要分为两类。一类是促性腺激素，包括促黄体生成素（LH）、促卵泡激素（FSH）和绒毛膜促性腺激素（CG）；另一类是促甲状腺激素（TSH）。激活人体细胞中的受体机制始终未知，极大限制了人们对该类受体的激素选择性。此外，结构信息缺乏也制约了靶向该类受体的小分子治疗药物研发。

　　糖蛋白激素受体结构之所以难解，与其特殊性有密切关系。糖蛋白激素受体为A类G蛋白偶联受体（GPCR），但与大多数A类GPCR不同，它包含由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。

　　徐华强告诉《中国科学报》：“因为结构特殊，糖蛋白激素受体很难重组表达。此外，除了传统的跨膜区，它还有一个较大的胞外区，也造成其表达非常不稳定。”

　　体外获得全长激素受体可谓困难重重。论文第一作者、上海药物所博士研究生段佳告诉《中国科学报》：“摆在我们面前的第一个难题就是CG配体。一般情况下，我们都是自己表达纯化配体，但‘折腾’了两个月后，发现效果并不理想。”

　　在一次上网查资料时，她惊喜地发现医院有现成的CG处方药，“如果使用处方药，可能效果会不错”。后续实验证明了这一猜想，他们进而解决了CG配体的难题。

　　但常规方法制备出的蛋白量不仅很少，结果也不稳定。通过查阅文献，段佳发现，糖蛋白激素受体存在很多点突变，这些突变会引起一系列疾病。为此，她对文献中涉及的所有突变进行筛选，最后锁定了能够使受体持续性激活的突变S277I。“通过引入这一突变，不仅让受体更加稳定，还提高了受体的表达量。”

　　在单颗粒冷冻电镜技术的“加持”下，研究团队最终解析了3个近原子分辨率的全长LHCGR处于激活状态下的结构，包括结合内源性激素CG的LHCGR（野生型）受体结构（4.3埃）、结合内源性激素CG的LHCGR（含持续性激活突变S277I）受体结构（3.8埃）以及结合内源性激素CG和小分子化合物Org43553的LHCGR（含持续性激活突变S277I）受体结构（3.2埃）。

　　不能缺位的“失活状态”

　　解开激活状态下的全长LHCGR结构谜团，只是第一步。“很多现象仅靠解析激活状态下的结构是不够的。”段佳说，“以往解析GPCR时，都是配体与受体的跨膜区相互作用后，引起跨膜区的构象变化，进而激活受体。但对于糖蛋白激素受体的激活，配体仅仅与受体胞外域相互作用，在没有接触到受体跨膜区的情况下，仍然能够引起跨膜区构象的变化。”

　　这意味着，只有继续解析失活状态下的糖蛋白激素受体结构，才能完整揭示该类受体的激活机制。虽然激活状态下的解析工作为后续研究奠定了重要基础，但仍然遇到了很多困难。

　　“在开展这项研究之前，没有任何单独GPCR的冷冻电镜结构报道。而糖蛋白激素受体非常不稳定，可能纯化过程中就降解了。”段佳说。

　　团队又尝试了很多办法，但效果并不明显。他们想，也许在纯化蛋白过程中加入小分子抑制剂能使蛋白更加稳定。通过这种方式，团队克服了全长失活受体构象高度不稳定的技术难题，并通过扩大数据量，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，团队发现受体的ECD发生了大约45度偏转。进一步通过结构分析和功能试验验证，他们最终提出了糖蛋白激素受体激活的“推拉”模型。“这是第一个全长单独GPCR的电镜结构。”徐华强说。

　　助攻小分子药物研发

　　近年来，小分子药物研发逐渐表现出巨大优势，也越来越受到患者和市场的青睐。徐华强表示：“一方面，小分子药物可以口服，减少了患者身体痛苦和心理负担；另一方面，小分子药物可控性和依从性更强，可以做到定时定量。”

　　为此，研究人员还解析了处于1期临床试验中的小分子化合物Org43553与LHCGR相互作用的分子细节，揭示了Org43553的结合口袋，为临床开发针对LHCGR、FSHR和TSHR的选择性小分子药物替代激素治疗提供了重要的结构模板。

　　实际上，国内外对糖蛋白激素的关注由来已久。10年前，徐华强团队就开始研究糖蛋白激素受体结构，但受限于当时的结构解析技术，研究仅开展两年便被迫搁置。

　　两年前，徐华强团队联合合作者重启该项目。在他看来，研究之所以成功，除了冷冻电镜技术的进步，还得益于上海药物所的技术和平台支撑、不同方向团队的精诚合作。

　　“糖蛋白激素受体结构解析只是第一步，也是最关键的一步。虽然糖蛋白激素作用机制在整个家族是通用的，但与受体之间也存在特异性，仍然需要结构生物学来解答。此外，我们还希望进一步解析FSH和TSH等受体结构，揭示不孕不育、甲亢或甲减等疾病的分子机制，为治疗相关疾病药物的研发提供结构基础。”徐华强表示。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03924-2