甲狀腺激素是最重要的代謝激素之一，作用于人體幾乎全部的細(xì)胞。當(dāng)人遭遇危險(xiǎn)而情緒緊張時(shí)首先會(huì)刺激下丘腦釋放促甲狀腺激素釋放激素 (TRH)，TRH的分泌進(jìn)一步刺激垂體釋放促甲狀腺激素 (TSH)。TSH通過(guò)激活主要在甲狀腺細(xì)胞上表達(dá)的G蛋白偶聯(lián)促甲狀腺激素受體 (TSHR) 來(lái)控制甲狀腺激素的合成1。
TSH 屬于糖蛋白激素家族，該家族還包括促卵泡激素 (FSH)、促黃體生成素和絨毛膜促性腺激素 (CG)2。TSHR 和相關(guān)的糖蛋白激素受體包含亮氨酸重復(fù)結(jié)構(gòu)域 (LRRD)、鉸鏈區(qū)和跨膜結(jié)構(gòu)域 (TMD)。其中，TSHR α亞基可以從β亞基中解離出來(lái)，成為抗原，進(jìn)一步被免疫系統(tǒng)識(shí)別并產(chǎn)生自身抗體3。激活TSHR的自身抗體，包括M22，會(huì)增加甲狀腺激素的異常分泌并導(dǎo)致 Graves病和眼眶病；抑制TSHR的自身抗體，如 K1-70，會(huì)抑制甲狀腺激素分泌從而導(dǎo)致甲狀腺功能減退。這些疾病正影響著全球數(shù)億患者，然而，TSH和抗體介導(dǎo)的TSHR激活的基礎(chǔ)尚不清楚。
2022年8月8日，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合臨港實(shí)驗(yàn)室研究員蔣軼、北京協(xié)和醫(yī)院教授張抒揚(yáng)，在Nature期刊上發(fā)表了題為Hormone- and antibody-mediated activation of the thyrotropin receptor的論文。首次解析了全長(zhǎng)TSHR分別與TSH和激活型自身抗體M22結(jié)合的激活狀態(tài)結(jié)構(gòu)以及全長(zhǎng)TSHR與抑制型自身抗體K1-70結(jié)合下的抑制態(tài)結(jié)構(gòu)。該研究首次揭示了TSH與TSHR相互作用的細(xì)節(jié)模式，解析了TSH激活TSHR的分子機(jī)制，闡釋了抗體激活或抑制受體從而引發(fā)甲狀腺相關(guān)疾病的分子機(jī)制，為臨床開發(fā)用于治療甲狀腺相關(guān)疾病的抗體或小分子藥物提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)。
研究者采用Cryo-EM技術(shù)，解析了TSH、TSHR和mini-Gs-Gβγ 異三聚體、變構(gòu)激動(dòng)劑ML-109、穩(wěn)定Gs納米抗體Nb3525的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，整體分辨率為2.96??，局部胞外結(jié)構(gòu)域 (ECD) 分辨率高達(dá)2.67 ?。其中ML-109 作為TSHR特異性變構(gòu)激動(dòng)劑，用以穩(wěn)定復(fù)合物。
圖2. TSH-TSHR-Gs 復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
TSH-TSHR復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)顯示出相對(duì)于膜層的直立ECD構(gòu)象，TSH與ECD的凹面結(jié)合。在該結(jié)構(gòu)中，TSH與第2-10條亮氨酸重復(fù)序列 (LRR) 形成直接接觸，具有電荷互補(bǔ)和形狀匹配的相互作用。與受體結(jié)合的TSH與其他糖蛋白激素的ECD結(jié)構(gòu)和結(jié)合界面大體相似，但主要區(qū)別在于TSH β亞基的 C末端“安全帶”結(jié)構(gòu)。TSH的“安全帶”結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致結(jié)合界面中存在不同的相互作用，從而決定了TSH結(jié)合的特異性。TSH-TSHR結(jié)構(gòu)與CG-LHCGR（絨毛膜促性腺激素受體）復(fù)合物的活性結(jié)構(gòu)高度相似，表明TSH和CG都通過(guò)共同機(jī)制穩(wěn)定受體活性構(gòu)象。有趣的是，TSHR ECD相對(duì)于LHCGR結(jié)構(gòu)額外旋轉(zhuǎn)了約12°到直立位置。
圖3. TSH和TSHR之間的激素特異性和相互作用
為了進(jìn)一步探究TSH介導(dǎo)的TSHR激活機(jī)制，研究者解析了阻斷抗體K1-70-TSHR 復(fù)合物結(jié)構(gòu)，分辨率為5.46 ?。與之前報(bào)道一致，K1-70與TSH的結(jié)合界面重疊，從而阻斷了TSH的結(jié)合。K1-70-TSHR復(fù)合物與失活LHCGR結(jié)構(gòu)比較表明，TSHR的ECD具有與失活LHCGR結(jié)構(gòu)相似的向下構(gòu)象。在這個(gè)位置，K1-70不會(huì)與膜層發(fā)生沖突。而無(wú)論何種形式的TSHR ECD表明，TSH都將與膜層發(fā)生沖突，其方式類似于CG與LHCGR的結(jié)合?；钚院褪Щ頣SHR的結(jié)構(gòu)比較表明，TSH結(jié)合推動(dòng)ECD從失活構(gòu)象旋轉(zhuǎn)約38°，到直立活性構(gòu)象。除了TSHR激活的推動(dòng)模型外，TSHR ECD還被鉸鏈區(qū)拉動(dòng)，以穩(wěn)定直立活性構(gòu)象?？傊?，TSH介導(dǎo)的TSHR激活與CG誘導(dǎo)的LHCGR激活具有相似的“push and pull”激活模型。
圖4. TSH介導(dǎo)的TSHR激活的基礎(chǔ)
此外，為了揭示抗體誘導(dǎo)的TSHR激活機(jī)制，研究者還解析M22-TSHR與 ML-109結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，分辨率為2.78??，胞外局部分辨率為2.39??。M22表現(xiàn)出與TSH相似的激活TSHR的有效活性。在全長(zhǎng)TSHR復(fù)合物中，M22-TSHR結(jié)合界面延伸到ECD-TMD界面附近的LRR 11-12區(qū)域。將M22結(jié)合結(jié)構(gòu)的TSHR ECD 疊加到失活的ECD結(jié)構(gòu)上表明 M22的重鏈將與膜層發(fā)生沖突，這與TSHR激活的“push model”激活模型一致。然而，沒(méi)有觀察到 M22和鉸鏈區(qū)之間的相互作用，這表明抗體介導(dǎo)的TSHR激活不是通過(guò)“pull model” 激活模型介導(dǎo)的。
最后，研究者分析了小分子變構(gòu)激動(dòng)劑ML-109對(duì)受體TSHR的激活作用，并通過(guò)進(jìn)一步的突變實(shí)驗(yàn)確定了決定ML-109特異性識(shí)別并激活TSHR而不激活LHCGR的關(guān)鍵氨基酸殘基。
總的來(lái)說(shuō)，本篇文章首次報(bào)道了TSHR與內(nèi)源性激素TSH和變構(gòu)激動(dòng)劑 ML-109的結(jié)構(gòu)，揭示了激素和變構(gòu)激動(dòng)劑誘導(dǎo)受體激活的機(jī)制。此外，還報(bào)道了與自身激活抗體M22和自身阻斷抗體K1-70結(jié)合的TSHR的結(jié)構(gòu)，揭示了TSHR如何被自身抗體上調(diào)或下調(diào)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，從而為針對(duì)TSHR功能異常從而引發(fā)的自身免疫性疾病的抗體藥物和小分子藥物發(fā)現(xiàn)提供了更加清晰的模板和思路。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05173-3
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