细胞中糖蛋白的作用（研究揭示糖蛋白激素作用机制）

9月22日，中国科学院上海药物研究所研究员徐华强/蒋轶团队，联合浙江大学研究员张岩团队，在Nature上发表了题为Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signaling complexes的研究论文，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出绒毛膜促性腺激素（CG）识别LHCGR的分子机制，以及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”模型上述工作有助于理解糖蛋白激素识别和激活GPCR的机制，并对临床开发替代激素治疗的小分子药物具有理论和现实意义，接下来我们就来聊聊关于细胞中糖蛋白的作用?以下内容大家不妨参考一二希望能帮到您!

细胞中糖蛋白的作用

9月22日，中国科学院上海药物研究所研究员徐华强/蒋轶团队，联合浙江大学研究员张岩团队，在Nature上发表了题为Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signaling complexes的研究论文，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。该工作揭示出绒毛膜促性腺激素（CG）识别LHCGR的分子机制，以及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。上述工作有助于理解糖蛋白激素识别和激活GPCR的机制，并对临床开发替代激素治疗的小分子药物具有理论和现实意义。

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。上述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联合应用于甲状腺癌术后患者，抑制和消融残余癌组织等。尽管糖蛋白激素的临床应用取得成功，但糖蛋白激素激活人体细胞中受体的机制仍然未知。

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，并且存在复杂的糖基化修饰，然而，由于糖蛋白激素受体结构的特殊性，体外获得全长的该类蛋白十分困难。目前尚无全长糖蛋白激素及其受体复合物的结构被报道，限制了人们对于该类受体的激素选择性，以及对受体激活机制的理解。此外，结构信息的缺乏也制约了靶向该类受体的小分子治疗药物的研发。

该研究中，科研人员采用单颗粒冷冻电镜技术，首次解析了3个近原子分辨率的全长LHCGR处于激活状态下的结构（图1），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）。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；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，研究发现受体的ECD发生了约45度的偏转。通过进一步结构分析和功能试验验证，研究提出了LHCGR受体“Push and Pull”的受体激活模型（图2）。这也是首个全长单独GPCR的电镜结构。此外，研究还解析了处于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结构模板。

综上，该研究解析了首个糖蛋白激素受体——LHCGR的全长结构，揭示出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；率先提出LHCGR的“Push and Pull”激活模型，并证实该激活模型在糖蛋白GPCR中的普遍性；阐明了小分子化合物Org43553识别LHCGR的分子基础，为靶向糖蛋白激素受体的小分子药物开发奠定了结构基础。

研究工作得到国家重点研发计划、上海市市级科技重大专项、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委员会及浙江省自然基金委员会等的资助。

图1.糖蛋白激素受体结构模式图及LHCGR受体与CG和Gs蛋白复合物的冷冻电镜结构

图2.LHCGR失活状态电镜结构与激活状态结构比较以及受体激活模型

来源：中国科学院上海药物研究所