他們窺見甲狀旁腺激素受體的“黑洞” 為骨質疏鬆症口服新藥研髮帶來曙光
2019年04月12日23:32

原標題:他們窺見甲狀旁腺激素受體的“黑洞” 為骨質疏鬆症口服新藥研髮帶來曙光

新民晚報訊(見習記者 郜陽)給寶寶拍張照,是讓無數媽媽頭疼的事。活潑的寶寶無時不刻都在動,就是不肯好好面對鏡頭。給體內的蛋白拍張照又何嚐不是這樣呢?可中國科學家卻再次為G蛋白偶聯受體家族的重要成員拍了張高清照。

由中國科學院上海藥物研究所徐華強團隊、王明偉團隊,浙江大學基礎醫學院張岩團隊以及美國匹茲堡大學醫學院團隊組成聯合研究團隊,應用冷凍電鏡技術精準解析了1型人源甲狀旁腺激素受體與Gs蛋白復合物的三維結構,揭示了其長效激活狀態下的分子動力學機製,為創製治療骨質疏鬆症、甲狀旁腺功能減退症和惡病質等疾病的新藥奠定了基礎。

圖說:研究團隊成員 郜陽 攝

都知道甲狀腺對人體至關重要,可甲狀旁腺又承擔了什麼作用呢?中科院上海藥物所研究員王明偉介紹,人體有兩對甲狀旁腺,長相類似豌豆,主要功能是分泌甲狀旁腺激素(PTH),調節機體內鈣、磷的代謝。“甲狀旁腺的研究曆史可以追溯到上世紀20年代。在2014年,科學家發現了腫瘤衍生的人甲狀旁腺激素相關蛋白能引發脂肪組織褐變和腫瘤惡病質。”王明偉說。

甲狀旁腺功能若出了問題,會產生什麼後果?這就不得不提到全球有2億患者、在中國50歲以上人群中患病率達19.2%的骨質疏鬆症了。甲狀旁腺激素的分泌主要受血鈣的調節。血鈣少了,甲狀旁腺激素分泌並作用於成骨細胞和破骨細胞,促使吸收骨中的鈣,將它釋放入血。當血鈣多時,則抑製甲狀旁腺激素分泌。“如果甲狀旁腺過於‘活躍’,骨的鈣被過分吸收,就會導致骨質疏鬆。”不僅如此,甲狀旁腺激素還與甲狀旁腺功能減退症、腫瘤惡病質息息相關。

研究表明,甲狀旁腺激素與在骨細胞和腎臟細胞中高表達的B類(GPCR)家族成員PTH1R特異性結合後可調節體內的鈣磷代謝。G蛋白偶聯受體(GPCR)是一大類膜蛋白受體的統稱,也是近幾年來科學家們的“寵兒”。B類G蛋白偶聯受體屬於該“家族”中的分泌素“分支”,包括15種不同類型的受體,其在體內的天然配體為多肽類激素。B類家族成員在體內發揮著重要作用,一旦其功能失調會導致多種疾病的發生,因此它們也是臨床治療的重要靶標。“PTH1R 是公認的骨質疏鬆症治療靶點,目前已有相關藥物應用於臨床。”王明偉介紹。

上述四個團隊的科學家和研究生在徐華強和王明偉的分工協調下密切合作, 先後突破了受體表達量低、蛋白穩定性差和復合物形成難等技術瓶頸,獲得了長效配體LA-PTH與PTH1R及Gs蛋白結合的復合物,並解析了其三維結構。據介紹,配體係指對受體具有識別能力並能與之結合的物質,兩者的關係頗像鑰匙與鎖。

“我主要承擔了蛋白純化和前期優化篩選等工作。”中科院上海藥物所博士研究生馬山山告訴記者,“曾經一度蛋白表達量很低,在我們引入了一種純化融合表達標籤後才得以解決。”不僅如此,不穩定的復合物也成為團隊前進道路上的“攔路虎”。“我們後來使用的LA-PTH配體更長效、半衰期也更長、親和力更高,在電鏡時不容易解離。”

來源/東方IC

在此次研究中,團隊還用到了獲得2017年諾貝爾化學獎的冷凍電子顯微鏡技術,這一技術讓科學家能夠便捷地為生物大分子拍下“高清照片”。正是由於復合物結構的高解像度,相關科學家還意外發現了許多有序排列的脂質和膽固醇分子圍繞在受體跨膜區,這種現象或具有穩定受體構象的效應。“很多人會問,既然是‘拍照’,為什麼會稱揭示了長效激活狀態下的分子動力學機製。”浙江大學基礎醫學院張岩研究員解釋,“我們是將蛋白以數百萬量計的分子進行冷凍,讓它們呈現出了不同狀態,再將其組合分類。”張岩把自己承擔的工作比作是解析結構的“臨門一腳”,雖說以前用傳統電鏡解析的密度圖也能作分析,但無法達到原子層面。這一次更新了技術後,解像度有了質的提升,團隊也因此觀察到了B類GPCR激活的動態過程。

在研究過程中,團隊還有意外收穫。既往的研究推測內源性配體通過“兩步走”結合併激活B類GPCR——具有強親和力的配體羧基端首先結合受體的胞外結構域,隨後配體的氨基端插入跨膜結構域的疏水口袋。然而,人們對配體如何從受體上解離卻知之甚少。團隊發現甲狀旁腺激素既能快速激活其受體又可迅速解離,於是借助長效激動劑延長了其在受體上的停留時間,隨後通過精巧細緻的三維分類技術捕捉到了配體從受體上解離的過程。

你沒猜錯,這項成果的發表也是一個耳熟能詳的、漫長的,從跟跑、並跑到領跑的故事。“去年兩三月的時候,我們甚至出現過放棄的打算。那時,有國外的課題組比我們進展更快,我們卻苦於復合物不穩定。”馬山山回憶,“直到4月取得了突破,才有種‘守得雲開見月明’的感覺。”上海藥物所副研究員趙麗華也曾因為實驗沒有進展而留下眼淚。“但王老師和我們說,即使失敗也得做!後來,我們咬牙也堅持了下來。”

來源/東方IC

據介紹,骨質疏鬆症已經成為我國中老年人群的重要健康問題。目前,甲狀旁腺激素和甲狀旁腺激素相關肽的基因重組類似物是治療嚴重骨質疏鬆症最有效的藥物,但為多肽,只能注射不能口服,治療過程很不方便且價格昂貴。“我們的成果,有望加快口服藥物的研發,造福廣大患者”張岩說。

中科院上海藥物所在2010年就開始佈局GPCR領域的研究,不斷取得重大突破,獲得數個領域里的“第一”。徐華強曾解析了PTH1R胞外區與多肽配體結合的三維結構;王明偉曾共同領導了跨膜區及全長胰高血糖素受體和胰高血糖素樣 肽-1受體晶體結構的確定。

該項研究成果今天淩晨在國際頂級學術期刊《科學》(Science)上以長文形式發表。“《科學》已經好久沒有發表GPCR領域的論文了。”王明偉自豪地表示。

“做基礎研究,枯燥嗎?”面對記者的提問,馬山山的回答有些出乎意料。“不枯燥啊,從最開始的文獻調研到最終發現自己的想法是正確的,很開心!”這個團隊里最年輕的共同第一作者笑著說,“我知道自己在做一件有意義的事。”

新民晚報見習記者 郜陽

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