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近年來，甲狀腺相關疾病的發病率正逐年上升，我國甲狀腺相關疾病的總患病率高達20%。甲狀腺相關疾病主要包括甲狀腺功能亢進（甲亢）、甲狀腺功能減退（甲減）、甲狀腺結節，以及甲狀腺癌。甲狀腺的主要生理功能是分泌甲狀腺素調控機體能量代謝，而這一功能的實現依賴于甲狀腺細胞表面的促甲狀腺素受體（TSHR）感知垂體細胞分泌的促甲狀腺激素（TSH）信號。臨床研究發現，彌漫性毒性甲狀腺腫（又稱Graves’disease, GD）是甲狀腺功能亢進的主要疾病表型，GD屬于自身免疫性疾病，在人群中的總發病率約為1%，且女性的發病率遠高于男性，其發病機理是機體免疫系統產生了能夠特異性識別TSHR的激活型抗體，甲狀腺細胞表面的TSHR受到抗體持續激活進而引起甲狀腺分泌過多的甲狀腺素引發疾病。與此同時，激活型抗體也會激活表達在眼眶成纖維細胞膜上的TSHR，從而導致成纖維細胞的過度增殖和分化，導致眼睛肌肉腫脹，引發格氏眼?。℅raves’orbitopathy，GO），患有GD的患者近半數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?。ㄓ址QHashimoto’s disease）。Hashimoto’s disease的患者中，一部分是由于免疫系統產生了靶向TSHR的抑制性抗體所致。因此，TSHR在介導甲狀腺發揮正常的生理功能外，也參與了甲狀腺相關疾病的發生發展（如圖1）。

圖1 TSHR在體內介導的生理及病理過程

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共同構成糖蛋白激素家族。在人體內，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，FSH則可以作用于FSHR。LHCGR和FSHR主要在性腺高表達，參與調控人體性別發育、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的主要靶點。

合作團隊長期致力于糖蛋白激素受體家族的結構與功能研究，并在糖蛋白激素研究領域取得了突破性進展。2021年，該團隊在Nature上首次報道了第一個全長糖蛋白激素受體LHCGR處于失活狀態和多種激活狀態下共四個結構，首次揭示了CG與LHCGR相互作用的細節模式，闡明了決定LHCGR和FSHR對于CG， LH以及FSH選擇性的關鍵氨基酸殘基，并揭示了受體從失活狀態到激活狀態的結構變化，提出了激素CG激活受體的“推拉（push and pull）”模型，并進一步揭示了處于1期臨床實驗的小分子化合物Org43553與受體LHCGR相互作用細節模式，為臨床開發靶向LHCGR的小分子藥物提供了結構依據1。2022年，該團隊在bioRxiv上發表了第一個全長FSHR處于失活和激素激活狀態下的結構，再次證實了激素FSH激活FSHR仍遵循“push and pull”模型，并通過與LHCGR、TSHR比較，進一步詳細探究了決定FSHR選擇性識別不同小分子別構激動劑的關鍵氨基酸位點，為靶向FSHR的選擇性小分子藥物設計奠定了結構基礎2。

TSH作為糖蛋白激素的重要一員，由于其結構的復雜性及不穩定性，目前仍無任何TSH的結構信息被報道。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性先天性甲狀腺功能減退癥在內的多種重大罕見病的重要靶標和關鍵分子。但TSH如何作用于TSHR引發甲狀腺素分泌的分子機制卻一直未知；TSHR能夠引發自身免疫性甲亢或甲減的發生，但人源激活型抗體和抑制性抗體是如何作用于TSHR繼而引發受體激活或抑制的機制也仍然未知，而激活型抗體與激素TSH激活TSHR的方式有何區別也仍有待進一步的探索。此外，靶向TSHR的小分子別構激動劑是如何激活受體的分子機制也一直是研究的重點。

2022年8月8日，中國科學院上海藥物研究所徐華強研究員聯合臨港實驗室蔣軼研究員、北京協和醫院張抒揚教授，共同在Nature雜志上發表了最新研究成果“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結合的激活狀態結構以及人源抑制型抗體K1-70結合下的抑制態結構。該項工作首次揭示了TSH與TSHR相互作用的細節模式，闡明了決定TSH和TSHR特異性識別的關鍵氨基酸殘基，并揭示了TSH激活TSHR的分子機制，揭示了抗體激活或抑制受體從而引發GD和Hashimoto’s disease的分子機制，并進一步揭示了小分子別構激動劑ML-109與受體TSHR相互作用細節模式，為臨床開發用于治療甲狀腺相關疾病的抗體或小分子藥物提供了結構依據。

研究團隊采用單顆粒冷凍電鏡技術分別對TSH激活TSHR形成的Gs復合物、人源激活型抗體M22激活TSHR形成的Gs復合物以及人源抑制型抗體結合的TSHR進行了結構重塑，其中TSH-TSHR-Gs復合物結構的整體分辨率為2.96埃，胞外局部分辨率為2.67埃，M22-TSHR-Gs復合物結構的整體分辨率為2.78埃，胞外局部分辨率為2.39埃，K1-70-TSHR復合物的分辨率為5.46埃。

通過結構分析，研究人員首次確定了激素TSH與TSHR特異性識別的關鍵氨基酸殘基。通過對比K1-70結合的抑制狀態和TSH激活下的激活狀態TSHR結構，研究人員發現K1-70可以穩定地結合處于失活狀態的受體胞外結構域（ECD）表面，而TSH與失活受體ECD結合時會與細胞膜產生空間位阻，從而推動受體ECD向上偏轉，即“pull”的作用；與此同時，研究人員進一步證實了從受體鉸鏈區延伸的loop與激素TSH也存在相互作用，該loop會進一步拉動受體ECD和TSH整體向上偏轉，即“pull”的作用，結合兩種作用，研究人員再次證實了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”這一保守的激活機制。與此同時，從結構比較發現，抑制型抗體主要通過與TSH競爭性結合TSHR從而抑制受體的激活。而與抑制型抗體K1-70相比，抗體M22與處于失活態的受體ECD結合時，會與細胞膜存在空間位阻，從而推動受體ECD向上偏轉，產生 “push”的作用，進一步研究表明抗體與鉸鏈區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相互作用的分子細節，并通過進一步的突變實驗確定了決定ML-109特異性識別并激活TSHR而不激活LHCGR的關鍵氨基酸殘基（如圖2）。

圖2 TSH、M22以及K1-70與TSHR和Gs蛋白的復合物結構比較

綜上，本研究系統性地研究了TSHR與內源性激素TSH和小分子激動劑ML-109的結構，首次揭示了激素TSH和別構激動劑ML-109誘導受體激活的機制；通過解析激活型抗體M22和抑制型抗體K1-70與TSHR的結構，揭示了TSHR 如何被自身免疫性抗體激活或抑制的結構基礎，從而為針對TSHR功能異常從而引發的自身免疫性疾病的抗體藥物和小分子藥物發現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研究員、臨港實驗室蔣軼研究員聯合北京協和醫院張抒揚教授團隊，精誠合作、合力攻關，并在上海藥物所蔣華良院士、鄭杰研究員的協助下完成。上海藥物所段佳博士、徐沛雨博士（現為MIT博士后）、清華大學欒曉東博士為本文共同第一作者。該工作得到國家重點研發計劃、上海市市級科技重大專項、科技部重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金委、中國醫學科學院創新工程等項目的資助。

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).