糖蛋白|打开糖蛋白激素作用机制“黑匣子”
■采访人员 田瑞颖
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 。”
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