在我國，每8對夫婦中就有1對有不孕不育問題，而甲狀腺癌的發病率也以每年12.4%的速度增長。糖蛋白激素是輔助生殖、治療甲狀腺等疾病的關鍵藥物。雖然近幾十年來，糖蛋白激素的臨床應用已經取得很大成功，但它如何激活人體細胞中的受體機制，是長期以來科研人員難以打開的“黑匣子”。
在9月22日發表于《自然》的一項研究中，中國科學院上海藥物研究所（以下簡稱中科院上海藥物所）研究員徐華強、蔣軼、蔣華良等聯合浙江大學教授張巖團隊和北京協和醫院院長張抒揚團隊打開了這個“黑匣子”，首次解析了糖蛋白激素受體，即全長促黃體生成素/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，為糖蛋白激素如何識別與激活其受體提供了詳細的分子機制，有助于臨床開發替代激素治療的小分子藥物。
起底“激活狀態”下的受體結構
激素作為人體的化學信使，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）三大分支組成。
糖蛋白激素主要分為兩類，均為重要的臨床治療藥物。一類是促性腺激素，包括促黃體生成素(LH)、促卵泡激素（FSH）和絨毛膜促性腺激素（CG），它們對調控HPG軸的關鍵生理功能具有重要意義。其中，FSH和LH可以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可以用來誘導女性排卵，增加男性精子數量等。
而另一類糖蛋白激素是促甲狀腺激素（TSH），它是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來調節人體代謝。TSH與131I聯合可應用于甲狀腺癌術后患者，抑制和消融殘余癌組織等。
雖然糖蛋白激素在臨床應用取得了成功，但它如何激活人體細胞中的受體機制始終未解，這極大地限制了人們對該類受體的激素選擇性，以及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。
實際上，糖蛋白激素受體結構的難解，與其結構的特殊性有密切關系。糖蛋白激素受體為A類G蛋白偶聯受體（GPCR），但與大多數A類GPCR不同，它包含由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。
徐華強告訴《中國科學報》，“因為特殊結構，糖蛋白激素受體很難重組表達。此外，糖蛋白激素受體除了傳統的跨膜區，還有一個較大的胞外區，這也造成它的表達非常不穩定。”
體外獲得全長的激素受體可謂困難重重。該論文的第一作者，中科院上海藥物所博士研究生段佳，在剛入學時，就“鉆”了這項研究。由于此前沒有糖蛋白激素及其全長受體復合物結構的相關報道，他們只能摸著石頭過河。
“擺在我們面前的第一個難題就是CG配體。一般情況下，我們都是自己表達純化配體，但‘折騰’了2個月后，發現效果并不理想。”段佳告訴《中國科學報》。
在一次上網查資料時，她驚喜地發現醫院有現成的CG處方藥，“如果使用處方藥，可能效果會不錯。”果然，后續的實驗證明了這一猜想。為了獲得更多的CG配體，他們又多方聯系買到了藥物的原料藥，進而解決了CG配體的難題。
后續的困難接踵而至。段佳發現，常規方法制備出的蛋白量不僅很少，而且結果也不穩定。通過查閱大量文獻，她發現，糖蛋白激素受體存在很多點突變，而這些突變會引起一系列疾病。為此，她對文獻中涉及的所有突變進行了篩選，最后鎖定了能夠使受體持續性激活的突變S277I。“通過引入這一突變，不僅讓受體更加穩定，還提高了受體的表達量。”
在單顆粒冷凍電鏡技術的“加持”下，研究團隊最終解析了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）。
不能缺位的“失活狀態”
解開激活狀態下的全長LHCGR結構謎團，對于研發團隊而言只是第一步。“很多現象，僅靠解析激活狀態下的結構是不夠的。”段佳說，“以往解析GPCR時，都是配體與受體的跨膜區相互作用后，引起跨膜區的構象變化，進而激活受體。但對于糖蛋白激素受體的激活，配體僅僅與受體胞外域相互作用，在沒有接觸到受體跨膜區的情況下，仍然能夠引起跨膜區構象的變化。”
這意味著，只有繼續解析失活狀態下的糖蛋白激素受體結構，才能完整地揭示該類受體的激活機制。雖然激活狀態下的解析工作為后續研究奠定了重要基礎，但仍然遇到了很多困難。
“在開展這項研究之前，沒有任何單獨GPCR的冷凍電鏡結構報道。而糖蛋白激素受體非常不穩定，可能純化過程中就降解了。”段佳說。
通過查閱文獻，研究團隊又嘗試了很多辦法，例如在蛋白上加上融合標簽等，但效果并不明顯。他們想，也許在純化蛋白的過程中加入小分子抑制劑能使蛋白更加穩定。
通過這種方式，研究團隊克服了全長失活受體構象高度不穩定的技術難題，并通過擴大數據量，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。進一步通過結構分析和功能試驗驗證，他們最終提出了LHCGR受體“Push and Pull”的受體激活模型，也就是糖蛋白激素受體激活的“推拉”模型。“這是第一個全長單獨GPCR的電鏡結構。”徐華強說。
助攻小分子藥物研發
近年來，小分子藥物研發逐漸表現出巨大優勢，也越來越受到患者和市場的青睞。
徐華強表示，“一方面，小分子藥物可以口服，相對于打針等治療方式，可以減少患者身體痛苦和心理負擔；另一方面，小分子藥物可控性和依從性更強，可以做到定時定量。”
為此，研究人員還解析了處于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重要的結構模板。
實際上，國內外對糖蛋白激素的關注由來已久。十年前，徐華強團隊就開始研究糖蛋白激素受體的結構，但受限于當時的結構解析技術，研究僅開展兩年便被迫擱置。
隨著冷凍電鏡技術的革命，兩年前，徐華強團隊聯合合作者再次重啟這該項目。在他看來，除了技術的進步，研究之所以成功，還得益于中科院上海藥物所的技術和平臺支撐，不同方向團隊的精誠合作，以及學生們善于發現問題并解決問題的主觀能動性。
“糖蛋白激素受體結構的解析只是第一步，也是最關鍵的一步。雖然糖蛋白激素的作用機制在整個家族是通用的，但與受體之間也存在特異性，仍然需要結構生物學來解答。此外，我們還希望進一步解析促卵泡激素和促甲狀腺激素等受體的結構，揭示不孕不育、甲亢或甲減等疾病的分子機制，為治療相關疾病藥物的研發提供結構基礎。”徐華強表示。
