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，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、促卵泡激素和絨毛膜促性腺激素是糖蛋白激素，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，以及促進第二性征的發育及維持。另一類糖蛋白激素促甲狀腺激素是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，其中促黃體生成素和促卵泡激素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；絨毛膜促性腺激素用來誘導女性排卵，增加男性精子數量等。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的受體機制仍然未知。

　　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，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（LHCGR）處于失活狀態和多種激活狀態下的四個結構。這項研究揭示了絨毛膜促性腺激素識別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。相關成果于昨天深夜發表于國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）。

　　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（GPCR），其中，促黃體生成素和絨毛膜促性腺激素共同作用于促黃體生成素/絨促性素受體（LHCGR），促卵泡激素作用于卵泡刺激素受體（FSHR），促甲狀腺激素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。

　　2005年，韋恩·亨德里克森研究組首次解析了促卵泡激素和卵泡刺激素受體的N端（1-268）胞外段的復合物晶體結構，揭示了促卵泡激素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的形式被激活進而發揮生理功能。2012年，另一研究組解析了促卵泡激素與卵泡刺激素受體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。

　　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，包括結合內源性激素絨毛膜促性腺激素的LHCGR（野生型）受體結構、結合內源性激素絨毛膜促性腺激素的LHCGR（含持續性激活突變S277I）受體結構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。

　　圖說：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

　　該研究首次揭示了全長LHCGR的結構，以及絨毛膜促性腺激素與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。這也是第一個全長單獨GPCR的電鏡結構。

　　徐華強表示，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。此外，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。

　　據悉，該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，以及英國劍橋大學特里斯坦·克羅爾的協助下完成。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。

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