研究揭示糖蛋白激素作用機制

　　中國科學院上海藥物研究所研究員徐華強/蔣軼團隊，聯合浙江大學研究員張巖團隊，在Nature上發表了題為Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signaling complexes的研究論文，**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（luteinizing hormone/choriogonadotropin receptor， LHCGR）處于失活狀態和多種激活狀態下的四個結構。該工作揭示出絨毛膜促性腺激素（CG）識別LHCGR的分子機制，以及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（follicle-stimulating hormone，FSH）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。上述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理論和現實意義。

　　激素是人體的化學信使，控制著各個器官的生理功能，而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（luteinizing hormone，LH），促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，FSH）和絨毛膜促性腺激素（chorionic gonadotropin，CG）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，以及促進第二性特征的發育及維持。另一類糖蛋白激素促甲狀腺激素（thyroid-stimulating hormone，TSH）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。上述激素均為臨床重要的治療藥物，其中FSH和LH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；CG用來誘導女性排卵，增加男性精子數量等。TSH與131I聯合應用于甲狀腺癌術后患者，抑制和消融殘余癌組織等。盡管糖蛋白激素的臨床應用取得成功，但糖蛋白激素激活人體細胞中受體的機制仍然未知。

　　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（G protein-coupled receptor， GPCR），其中，LH和CG共同作用于促黃體生成素/絨促性素受體（LHCGR），FSH作用于卵泡刺激素受體（FSHR），TSH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，并且存在復雜的糖基化修飾，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十分困難。目前尚無全長糖蛋白激素及其受體復合物的結構被報道，限制了人們對于該類受體的激素選擇性，以及對受體激活機制的理解。此外，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。

　　該研究中，科研人員采用單顆粒冷凍電鏡技術，**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）。該研究**揭示了全長LHCGR的結構，以及CG與LHCGR相互作用的細節；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，研究發現受體的ECD發生了約45度的偏轉。通過進一步結構分析和功能試驗驗證，研究提出了LHCGR受體“Push and Pull”的受體激活模型（圖2）。這也是首個全長單獨GPCR的電鏡結構。此外，研究還解析了處于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結構模板。

　　綜上，該研究解析了首個糖蛋白激素受體——LHCGR的全長結構，揭示出LHCGR與其內源性激素配體CG的相互作用模式，解決了LHCGR和FSHR對于三種激素LH，CG，FSH的選擇性問題；率先提出LHCGR的“Push and Pull”激活模型，并證實該激活模型在糖蛋白GPCR中的普遍性；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。