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人源甲状旁腺激素受体结构与功能研究取得重大突破

编辑: 作者:张岩课题组 时间:2019年04月12日 访问次数:2634

2019年4月12日,国际顶级学术期刊《科学》(Science)以长文(Article)形式在线发表了中国科学院上海药物研究所徐华强课题组和王明伟课题组、浙江大学医学院张岩课题组以及美国匹兹堡大学医学院Jean-Pierre Vilardaga课题组的联合合作研究成果“Structure and dynamics of the active human parathyroid hormone receptor”。该研究应用冷冻电镜技术解析了1型人源甲状旁腺激素受体(Parathyroid hormone receptor-1, PTH1R)信号转导复合物的高分辨率(3Å)三维结构,揭示了长效配体与受体之间的识别机制以及受体信号转导的结构基础;同时,利用精巧的三维分类方法发现了长效配体与受体胞外区存在多种动态构象,展示了配体动态地结合与解离过程。相关成果为创制治疗骨质疏松症、甲旁功能减退症等疾病的新药奠定了坚实的基础。


图1. 人源甲状旁腺激素受体信号转导复合物的冷冻电镜结构。左,冷冻电镜密度图;中,结构模型;右,高分辨率密度图显示脂质围绕受体形成带状结构,蓝色箭头示意胆固醇,透明盘状密度表示胶团微束。绿色,人源甲状旁腺激素受体;橙色,长效甲状旁腺激素;黄色,G蛋白⍺亚基;青色,G蛋白β亚基;蓝色,G蛋白𝛾亚基;灰色,纳米抗体。


甲状旁腺激素(Parathyroid hormone, PTH)是一种典型的内分泌激素,80多年前被确定为调节血钙水平的关键因子,对维持机体离子稳态和骨骼健全至关重要。PTH与骨和肾脏中高表达的B类G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)家族成员PTH1R特异性结合后激活下游信号通路,进而调节体内的钙磷代谢。因此,PTH1R是公认的骨质疏松症治疗靶点,目前已有相关药物(PTH类似物)应用于临床,但均为多肽制剂,价格昂贵,使用不便。

上述四个课题组密切合作获得了长效配体LA-PTH与PTH1R及Gs蛋白结合的复合物,解析出了目前分辨率最高的GPCR冷冻电镜三维结构。该项研究展现了LA-PTH与受体胞外及跨膜结构域同时结合的细节,揭示了受体激活的分子机制及其与G蛋白三聚体相互作用的界面。这是首次报道的全长激活状态的1型人源甲状旁腺激素受体三维结构和首个处于长效激活状态下的GPCR立体结构。高分辨率复合物结构帮助科学家首次发现了许多有序排列的脂质和胆固醇分子围绕在受体跨膜区,可能具有稳定受体特定构象的效应。


图2. 人源甲状旁腺激素受体活化的可能模型。多肽激动剂结合受体后诱导TM6外移,随后G蛋白与受体相互识别。完全激活的hPTH1R复合物中,胞外结构域围绕多肽螺旋晃动,导致两者相对远离和多肽羧基端的去螺旋,进而两者完全解离。除了TM6为红色,受体标记为绿色。多肽为彩虹渐变色。


既往文献推测B类GPCR的天然配体通过“两步模式”结合并激活内B类GPCR:具有强亲和力的配体羧基端首先结合受体的胞外结构域,随后配体的氨基端插入跨膜结构域的疏水口袋。然而,人们对配体如何从受体上解离却知之甚少。甲状旁腺激素既能快速激活其受体又可迅速解离。相关科研人员借助长效激动剂延长了其在受体上的停留时间,随后通过精巧细致的三维分类技术捕捉到了配体从受体上解离的过程。构象灵活的受体胞外结构域结合配体后仍然保留了其动态的内在特性,并在不断运动中对处于螺旋结构的配体产生两种作用:(1)靠近配体产生应力促使其解螺旋和(2)远离配体减弱其亲和力。这两种效应综合导致配体羧基端首先从受体上解离。该项研究成果增进了我们对B类GPCR分子识别机制的认识。

上海药物研究所赵丽华副研究员和博士研究生马山山、匹兹堡大学博士研究生Ieva Sutkeviciute和浙江大学研究助理沈丹丹为论文共同第一作者;王明伟、Jean-Pierre Vilardaga、徐华强和张岩为共同通讯作者。参加这项研究的单位还有美国文安德研究所、复旦大学药学院和哈佛大学医学院,经费来自浙江省杰出青年科学基金、国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、美国国立卫生研究院、上海市科学技术委员会和复旦大学‒中国科学院上海药物研究所融合基金和中美多个人才项目等。

该研究的冷冻电镜工作全部在浙江大学冷冻电镜中心完成,也得到了浙江大学冷冻电镜中心高性能计算平台和医学院蛋白质平台支持。浙江大学冷冻电镜中心是浙江大学“十三五”重点建设的校级科研平台,位于紫金港校区医学院科研楼。中心配备了一系列高端电子显微镜设备、光电关联显微成像设备、光刺激高压冷冻设备、场发射扫描电子显微镜设备及各种相配套的大数据计算系统,建立了完整的分子克隆,蛋白表达、纯化及蛋白表征的研究平台。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/364/6436/148.full