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近年來，甲狀腺相關(guān)疾病的發(fā)病率正逐年上升，我國甲狀腺相關(guān)疾病的總患病率高達(dá)20%。甲狀腺相關(guān)疾病主要包括甲狀腺功能亢進(jìn)（甲亢）、甲狀腺功能減退（甲減）、甲狀腺結(jié)節(jié)，以及甲狀腺癌。甲狀腺的主要生理功能是分泌甲狀腺素調(diào)控機(jī)體能量代謝，而這一功能的實(shí)現(xiàn)依賴于甲狀腺細(xì)胞表面的促甲狀腺素受體（TSHR）感知垂體細(xì)胞分泌的促甲狀腺激素（TSH）信號。臨床研究發(fā)現(xiàn)，彌漫性毒性甲狀腺腫（又稱Graves’disease, GD）是甲狀腺功能亢進(jìn)的主要疾病表型，GD屬于自身免疫性疾病，在人群中的總發(fā)病率約為1%，且女性的發(fā)病率遠(yuǎn)高于男性，其發(fā)病機(jī)理是機(jī)體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生了能夠特異性識別TSHR的激活型抗體，甲狀腺細(xì)胞表面的TSHR受到抗體持續(xù)激活進(jìn)而引起甲狀腺分泌過多的甲狀腺素引發(fā)疾病。與此同時，激活型抗體也會激活表達(dá)在眼眶成纖維細(xì)胞膜上的TSHR，從而導(dǎo)致成纖維細(xì)胞的過度增殖和分化，導(dǎo)致眼睛肌肉腫脹，引發(fā)格氏眼病（Graves’orbitopathy，GO），患有GD的患者近半數(shù)也會同時患上格氏眼病。此外，臨床也存在部分甲減患者，其疾病類型為自身免疫性橋本病（又稱Hashimoto’s disease）。Hashimoto’s disease的患者中，一部分是由于免疫系統(tǒng)產(chǎn)生了靶向TSHR的抑制性抗體所致。因此，TSHR在介導(dǎo)甲狀腺發(fā)揮正常的生理功能外，也參與了甲狀腺相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展（如圖1）。

圖1 TSHR在體內(nèi)介導(dǎo)的生理及病理過程

TSH屬于糖蛋白激素的一員，與絨毛膜促性腺激素CG、促黃體生成素LH，以及促卵泡激素FSH共同構(gòu)成糖蛋白激素家族。在人體內(nèi)，四種糖蛋白激素可作用于三種糖蛋白激素受體，除TSH可以作用于TSHR外，CG和LH可以共同作用于LHCGR，F(xiàn)SH則可以作用于FSHR。LHCGR和FSHR主要在性腺高表達(dá)，參與調(diào)控人體性別發(fā)育、第二性征的維持以及生殖等，同時也是目前研究治療不孕不育以及體外輔助生殖技術(shù)的主要靶點(diǎn)。

合作團(tuán)隊(duì)長期致力于糖蛋白激素受體家族的結(jié)構(gòu)與功能研究，并在糖蛋白激素研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。2021年，該團(tuán)隊(duì)在Nature上首次報道了第一個全長糖蛋白激素受體LHCGR處于失活狀態(tài)和多種激活狀態(tài)下共四個結(jié)構(gòu)，首次揭示了CG與LHCGR相互作用的細(xì)節(jié)模式，闡明了決定LHCGR和FSHR對于CG， LH以及FSH選擇性的關(guān)鍵氨基酸殘基，并揭示了受體從失活狀態(tài)到激活狀態(tài)的結(jié)構(gòu)變化，提出了激素CG激活受體的“推拉（push and pull）”模型，并進(jìn)一步揭示了處于1期臨床實(shí)驗(yàn)的小分子化合物Org43553與受體LHCGR相互作用細(xì)節(jié)模式，為臨床開發(fā)靶向LHCGR的小分子藥物提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)1。2022年，該團(tuán)隊(duì)在bioRxiv上發(fā)表了第一個全長FSHR處于失活和激素激活狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，再次證實(shí)了激素FSH激活FSHR仍遵循“push and pull”模型，并通過與LHCGR、TSHR比較，進(jìn)一步詳細(xì)探究了決定FSHR選擇性識別不同小分子別構(gòu)激動劑的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)，為靶向FSHR的選擇性小分子藥物設(shè)計奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2。

TSH作為糖蛋白激素的重要一員，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及不穩(wěn)定性，目前仍無任何TSH的結(jié)構(gòu)信息被報道。TSH是用于輔助治療甲狀腺癌的重要臨床藥物，同時也是包括McCune-Albright 綜合征、垂體促甲狀腺激素腺瘤以及原發(fā)性先天性甲狀腺功能減退癥在內(nèi)的多種重大罕見病的重要靶標(biāo)和關(guān)鍵分子。但TSH如何作用于TSHR引發(fā)甲狀腺素分泌的分子機(jī)制卻一直未知；TSHR能夠引發(fā)自身免疫性甲亢或甲減的發(fā)生，但人源激活型抗體和抑制性抗體是如何作用于TSHR繼而引發(fā)受體激活或抑制的機(jī)制也仍然未知，而激活型抗體與激素TSH激活TSHR的方式有何區(qū)別也仍有待進(jìn)一步的探索。此外，靶向TSHR的小分子別構(gòu)激動劑是如何激活受體的分子機(jī)制也一直是研究的重點(diǎn)。

2022年8月8日，中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)研究員聯(lián)合臨港實(shí)驗(yàn)室蔣軼研究員、北京協(xié)和醫(yī)院張抒揚(yáng)教授，共同在Nature雜志上發(fā)表了最新研究成果“Hormone- and antibody-mediated activation of the thyrotropin receptor”，首次解析了全長TSHR分別處于激素TSH與人源激活型抗體M22結(jié)合的激活狀態(tài)結(jié)構(gòu)以及人源抑制型抗體K1-70結(jié)合下的抑制態(tài)結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)工作首次揭示了TSH與TSHR相互作用的細(xì)節(jié)模式，闡明了決定TSH和TSHR特異性識別的關(guān)鍵氨基酸殘基，并揭示了TSH激活TSHR的分子機(jī)制，揭示了抗體激活或抑制受體從而引發(fā)GD和Hashimoto’s disease的分子機(jī)制，并進(jìn)一步揭示了小分子別構(gòu)激動劑ML-109與受體TSHR相互作用細(xì)節(jié)模式，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)。

研究團(tuán)隊(duì)采用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)分別對TSH激活TSHR形成的Gs復(fù)合物、人源激活型抗體M22激活TSHR形成的Gs復(fù)合物以及人源抑制型抗體結(jié)合的TSHR進(jìn)行了結(jié)構(gòu)重塑，其中TSH-TSHR-Gs復(fù)合物結(jié)構(gòu)的整體分辨率為2.96埃，胞外局部分辨率為2.67埃，M22-TSHR-Gs復(fù)合物結(jié)構(gòu)的整體分辨率為2.78埃，胞外局部分辨率為2.39埃，K1-70-TSHR復(fù)合物的分辨率為5.46埃。

通過結(jié)構(gòu)分析，研究人員首次確定了激素TSH與TSHR特異性識別的關(guān)鍵氨基酸殘基。通過對比K1-70結(jié)合的抑制狀態(tài)和TSH激活下的激活狀態(tài)TSHR結(jié)構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn)K1-70可以穩(wěn)定地結(jié)合處于失活狀態(tài)的受體胞外結(jié)構(gòu)域（ECD）表面，而TSH與失活受體ECD結(jié)合時會與細(xì)胞膜產(chǎn)生空間位阻，從而推動受體ECD向上偏轉(zhuǎn)，即“pull”的作用；與此同時，研究人員進(jìn)一步證實(shí)了從受體鉸鏈區(qū)延伸的loop與激素TSH也存在相互作用，該loop會進(jìn)一步拉動受體ECD和TSH整體向上偏轉(zhuǎn)，即“pull”的作用，結(jié)合兩種作用，研究人員再次證實(shí)了TSH激活TSHR仍遵循“push and pull”激活模型，即糖蛋白激素激活受體均遵循“push and pull”這一保守的激活機(jī)制。與此同時，從結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)，抑制型抗體主要通過與TSH競爭性結(jié)合TSHR從而抑制受體的激活。而與抑制型抗體K1-70相比，抗體M22與處于失活態(tài)的受體ECD結(jié)合時，會與細(xì)胞膜存在空間位阻，從而推動受體ECD向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生 “push”的作用，進(jìn)一步研究表明抗體與鉸鏈區(qū)loop并不存在相互作用，即抗體激活受體只存在“push”這一種作用方式。最后，研究人員也分析了小分子激動劑ML-109與受體TSHR相互作用的分子細(xì)節(jié)，并通過進(jìn)一步的突變實(shí)驗(yàn)確定了決定ML-109特異性識別并激活TSHR而不激活LHCGR的關(guān)鍵氨基酸殘基（如圖2）。

圖2 TSH、M22以及K1-70與TSHR和Gs蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)比較

綜上，本研究系統(tǒng)性地研究了TSHR與內(nèi)源性激素TSH和小分子激動劑ML-109的結(jié)構(gòu)，首次揭示了激素TSH和別構(gòu)激動劑ML-109誘導(dǎo)受體激活的機(jī)制；通過解析激活型抗體M22和抑制型抗體K1-70與TSHR的結(jié)構(gòu)，揭示了TSHR 如何被自身免疫性抗體激活或抑制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，從而為針對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)提供了更加清晰地模板和思路。

本課題由上海藥物所徐華強(qiáng)研究員、臨港實(shí)驗(yàn)室蔣軼研究員聯(lián)合北京協(xié)和醫(yī)院張抒揚(yáng)教授團(tuán)隊(duì)，精誠合作、合力攻關(guān)，并在上海藥物所蔣華良院士、鄭杰研究員的協(xié)助下完成。上海藥物所段佳博士、徐沛雨博士（現(xiàn)為MIT博士后）、清華大學(xué)欒曉東博士為本文共同第一作者。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、上海市市級科技重大專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。

1.Duan, J. et al.Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signalling complexes. Nature, doi:10.1038/s41586-021-03924-2 (2021).

2.Duan, J. et al.Universal mechanism of hormone and allosteric agonist mediated activation of glycoprotein hormone receptors as revealed by structures of follicle stimulating hormone receptor. bioRxiv (2022).