给“好动”的PTH1R拍照 骨质疏松症靶点结构得到精准解析

实习生 侯树文 本报记者 王春 

全球有超过2亿的骨质疏松症患者，中国50岁以上的人群骨质疏松症患病率为19.2%。记者从中国科学院上海药物研究所获悉，一项由中国科学家主导的PTH1R(1型人源甲状旁腺激素受体)结构与功能研究取得重大突破，研究利用冷冻电镜技术精准解析了PTH1R与Gs蛋白复合物的三维结构，并揭示了其长效激活状态下的分子动力学机制。研究成果于4月12日发表在国际顶级学刊《科学》杂志上,该研究为创制治疗骨质疏松症、甲状旁腺功能减退症和恶病质等疾病的新药奠定了基础。

作为B类G蛋白偶联受体家族成员之一， PTH1R是公认的骨质疏松症治疗靶点。人体内部调节血钙水平的关键因子——甲状旁腺激素与PTH1R结合后激活下游信号通路，进而调节体内的钙磷代谢。解析PTH1R与Gs蛋白复合物的三维结构，就能了解打开疾病大门的“钥匙”结构，为研制治疗骨质疏松症等疾病新药奠定基础。

然而，想要看清PTH1R及其复合物并不容易。“PTH1R的头部比较灵活，不停地在动，要解析它的立体结构就好比给一个好动的孩子拍照。”浙江大学基础医学院张岩研究员告诉记者。一直以来，高精度地解析PTH1R与Gs蛋白复合物的三维结构，并揭示其长效激活状态下的分子动力机制成为一道科学难题。日前，这一难题在中美两国科学家合作下终被成功破解，所解析结构的精度在B类G蛋白偶联受体（GPCR）中首屈一指。

此前，已有相关药物应用于临床。据中国科学院上海药物研究所王明伟介绍，PTH和PTHrP的基因重组类似物是目前治疗严重骨质疏松症最有效的药物，但为多肽，意味着只能注射不能口服，治疗过程极不方便且价格昂贵。而此项研究让科学家们得以进一步开发有效的可口服小分子药物。“以前的多肽类似药也能狙击靶点，现在我们可以在了解靶点结构的基础上实现精准打击。”王明伟表示。

研究团队先后突破了受体表达量低、蛋白稳定性差和复合物形成难等技术瓶颈，获得了长效配体LA-PTH与PTH1R及Gs蛋白结合的复合物。如何看清由“好动”的PTH1R组成的复合物？研究人员运用了冷冻电镜技术，其冷冻传输系统让科学家在低温状态下观察复合物。

“在冷冻电镜的‘镜头’下，被‘冻住’的PTH1R会呈现出不同的状态，我们给这些状态分成不同类别。由此得到的二维平均图类似于给一个爱动的孩子快速‘连拍’的一张张照片。把照片连贯起来就可以捕捉、还原其运动的过程。”浙江大学基础医学院张岩研究员在解释学术成果时表示。

值得注意的是，这也是首次报道的全长激活状态PTH1R的立体结构和首个处于长时激活状态下的GPCR三维结构，同时也阐明了持续激活时细胞内环磷酸腺苷（cAMP）信号的转导机理。

中国科学院上海药物研究所徐华强课题组赵丽华副研究员和博士研究生马山山、浙江大学沈丹丹博士和美国匹兹堡大学IevaSutkeviciute博士为该论文的共同第一作者。参加这项研究的合作单位还有美国文安德研究所、复旦大学和美国哈佛医学院。

图1、长效配体（LA-PTH结合的1型人源甲状旁腺激素受体（PTH1R）与Gs蛋白复合物的冷冻电镜结构。A. 左侧，LA-PTH–PTH1R–Gs 复合物和圆盘状胶束的冷冻电镜密度图的切面视；右侧，LA-PTH–PTH1R–Gs复合物的卡通示意图，紫色棒状图案中有环状脂质。绿色是PTH1R；橙色是 LA-PTH；金色是Gs Ras-like domain；浅蓝是Gβ；中蓝是Gγ；灰色是 Nb35。B. 紫色代表受体跨膜区（TMD）周围有序环绕环状脂质层的冷冻电镜密度图，受体胞外区（ECD）和G蛋白被省略。

图2、1型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跨膜结构域6（TM6）外移，随后G蛋白与受体相互识别。在完全激活的1型人源甲状旁腺激素（PTH1R）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（C-ter）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。