激素是人體的化學信使，控制著各個器官的生理功能。下丘腦和腦下垂體是內(nèi)分泌激素的控制中心。傳統(tǒng)內(nèi)分泌系統(tǒng)由三大分支組成，即下丘腦-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）。其中，三種促性腺激素，包括促黃體生成素、促卵泡激素和絨毛膜促性腺激素是糖蛋白激素，調(diào)控HPG軸的關(guān)鍵生理功能，包括人體的性別發(fā)育，精子發(fā)生和卵子成熟，以及促進第二性征的發(fā)育及維持。另一類糖蛋白激素促甲狀腺激素是HPT軸調(diào)節(jié)的關(guān)鍵糖蛋白激素，主要通過調(diào)控機體甲狀腺素的水平從而調(diào)節(jié)人體代謝。

　　這些激素均為臨床重要的治療藥物，其中促黃體生成素和促卵泡激素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；絨毛膜促性腺激素用來誘導女性排卵，增加男性精子數(shù)量等。盡管幾十年來糖蛋白激素的臨床應(yīng)用取得了成功，年銷售額達數(shù)十億美元，但糖蛋白激素如何激活人體細胞中的受體機制仍然未知。

　　中國科學院上海藥物研究所徐華強/蔣軼團隊，聯(lián)合浙江大學張巖團隊，首次解析了糖蛋白激素GPCR，即全長黃體生成素/絨毛膜促性腺激素受體（LHCGR）處于失活狀態(tài)和多種激活狀態(tài)下的四個結(jié)構(gòu)。這項研究揭示了絨毛膜促性腺激素識別LHCGR的分子機制，揭示了1期臨床實驗的小分子化合物Org43553與受體LHCGR相互作用細節(jié)模式；鑒定了糖蛋白激素選擇性結(jié)合LHCGR和促卵泡激素受體的關(guān)鍵氨基酸殘基；提出了激素配體激活受體的“Push and Pull”模型。這些工作對理解糖蛋白激素識別和激活GPCR的機制，為臨床開發(fā)替代激素治療的小分子藥物具有重要的理論和現(xiàn)實意義。相關(guān)成果于昨天深夜發(fā)表于國際頂尖學術(shù)期刊《自然》（Nature）。

　　四種糖蛋白激素的整體三維結(jié)構(gòu)高度相似，均由一條保守的α鏈和激素特異性的β鏈組成。糖蛋白激素受體為A類G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），其中，促黃體生成素和絨毛膜促性腺激素共同作用于促黃體生成素/絨促性素受體（LHCGR），促卵泡激素作用于卵泡刺激素受體（FSHR），促甲狀腺激素作用于促甲狀腺激素受體（TSHR）來發(fā)揮生理功能。與大多數(shù)A類GPCR不同，糖蛋白激素受體有約由340-420個氨基酸構(gòu)成的巨大N端胞外區(qū)結(jié)構(gòu)域（ECD），該結(jié)構(gòu)域由富含亮氨酸的重復序列構(gòu)成，且存在復雜的糖基化修飾。鉸鏈區(qū)連接受體的ECD和跨膜區(qū)構(gòu)成全長受體。

　　2005年，韋恩·亨德里克森研究組首次解析了促卵泡激素和卵泡刺激素受體的N端（1-268）胞外段的復合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了促卵泡激素與受體相互作用的細節(jié)模式，同時他們提出了該受體在細胞膜表面可能以二聚體的形式被激活進而發(fā)揮生理功能。2012年，另一研究組解析了促卵泡激素與卵泡刺激素受體完整胞外域的復合物晶體結(jié)構(gòu)，進一步確證了連接受體胞外端和受體跨膜結(jié)構(gòu)域的鉸鏈區(qū)在激素識別和受體激活過程中的關(guān)鍵作用，并提出糖蛋白激素受體的激活模型，認為三聚體可能是受體發(fā)揮生理功能的形式。

　　然而，由于糖蛋白激素受體結(jié)構(gòu)的特殊性，體外獲得全長的該類蛋白困難重重。目前尚無全長糖蛋白激素及其受體復合物的結(jié)構(gòu)被報道，極大地限制了人們對于該類受體的激素選擇性，以及受體激活機制的理解。同時，結(jié)構(gòu)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(fā)。

　　聯(lián)合研究團隊采用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了3個近原子分辨率的全長LHCGR處于激活狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，包括結(jié)合內(nèi)源性激素絨毛膜促性腺激素的LHCGR（野生型）受體結(jié)構(gòu)、結(jié)合內(nèi)源性激素絨毛膜促性腺激素的LHCGR（含持續(xù)性激活突變S277I）受體結(jié)構(gòu)以及結(jié)合內(nèi)源性激素CG和小分子化合物Org43553的LHCGR（含持續(xù)性激活突變S277I）受體結(jié)構(gòu)。

　　圖說：LHCGR失活狀態(tài)電鏡結(jié)構(gòu)與激活狀態(tài)結(jié)構(gòu)比較以及受體激活模型

　　該研究首次揭示了全長LHCGR的結(jié)構(gòu)，以及絨毛膜促性腺激素與LHCGR相互作用的細節(jié)。研究人員通過大量嘗試，克服了全長失活受體構(gòu)象高度不穩(wěn)定的技術(shù)難題，最終解析了失活狀態(tài)下全長LHCGR的電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率為3.8埃。通過對比激活LHCGR結(jié)構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn)受體的ECD發(fā)生了大約45度的偏轉(zhuǎn)。通過進一步結(jié)構(gòu)分析和功能試驗驗證，最終提出了LHCGR受體“Push and Pull”的受體激活模型。這也是第一個全長單獨GPCR的電鏡結(jié)構(gòu)。

　　徐華強表示，研究率先提出了LHCGR的“Push and Pull”激活模型，并證實了這一獨特的激活模型在糖蛋白GPCR中的普遍性。此外，研究闡明了小分子化合物Org43553識別LHCGR的分子基礎(chǔ)，為靶向糖蛋白激素受體的小分子藥物開發(fā)奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

　　據(jù)悉，該課題由中國科學院上海藥物研究所徐華強/蔣軼研究團隊聯(lián)合浙江大學張巖團隊，精誠合作，合力攻關(guān)，并在中國科學院上海藥物研究所蔣華良院士、清華大學協(xié)和醫(yī)院張抒揚教授，以及英國劍橋大學特里斯坦·克羅爾的協(xié)助下完成。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、上海市市級科技重大專項、科技部重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金委及浙江省自然基金委等項目的資助。

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