Science | 中国科学家主导完成人源甲状旁腺激素受体结构与功能

来源：BioArt

甲状旁腺激素（Parathyroid hormone,PTH）是一种典型的内分泌激素，80 多年前被确定为调节血钙水平的关键因子，对维持机体离子稳态和骨骼健全至关重要。PTH 与在骨细胞和肾脏细胞中高表达的B 类G 蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）家族成员 PTH1R 特异性结合后激活下游信号通路，进而调节体内的钙磷代谢【1】。因此，PTH1R 是公认的骨质疏松症治疗靶点，目前已有相关药物（PTH 类似物如特立帕肽Teriparatide acetate）应用于临床。

2019 年4 月12 日，中国科学院上海药物研究所徐华强团队和王明伟团队、浙江大学基础医学院张岩团队以及美国匹兹堡大学医学院 Jean-Pierre Vilardaga团队合作在Science杂志以长文形式发表了文章Structure and dynamics of the active human parathyroid hormone receptor-1。该研究应用冷冻电镜技术精准（分辨率=3.0Å）解析了 1 型人源甲状旁腺激素受体（Parathyroid hormone type 1 receptor, PTH1R）与 Gs 蛋白复合物的三维结构，揭示了其长效激活状态下的分子动力学机制，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坚实的基础。

研究人员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，并解析了其三维结构。该项研究展现了 LA-PTH 与胞外及跨膜结构域结合的细节，揭示了受体激活的分子机制及其与 G 蛋白三聚体相互作用的界面。这是首次报道的全长激活状态1 型人源甲状旁腺激素受体之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。由于复合物结构的高分辨率（3.0 埃），相关科学家还意外发现了许多有序排列的脂质和胆固醇分子围绕在受体跨膜区，这种现象可能具有稳定受体构象的效 应。

图  1、1 型人源甲状旁腺激素受体信号转导复合物的冷冻电镜结构。左，冷冻电镜密度图； 中，结构模型；右，高分辨率密度图显示脂质围绕受体形成带状结构，蓝色箭头示意胆固醇， 透明盘状密度表示胶团微束。绿色，人源甲状旁腺激素受体（PTH1R）；橙色，长效甲状旁 腺激素（LA-PTH）；黄色，G 蛋白⍺亚基；青色，G 蛋白β 亚基；蓝色，G 蛋白γ亚基；灰色，纳米抗体。

既往的研究推测内源性配体通过“两步模式”结合并激活B 类GPCR：具有强 亲和力的配体羧基端首先结合受体的胞外结构域，随后配体的氨基端插入跨膜结构域的疏水口袋。然而，人们对配体如何从受体上解离却知之甚少。甲状旁腺激素既能快速激活其受体又可迅速解离。研究人员借助长效激动剂延长了其在受体上的停留时间，随后通过精巧细致的三维分类技术捕捉到了配体从受体上解 离的过程。构象灵活的受体胞外结构域结合配体后仍然保留了其动态的内在特性， 并在不断运动中对展现螺旋结构的配体产生两种作用：（1）靠近配体产生应力促使其解螺旋和（2）远离配体减弱其亲和力。这两种效应综合导致配体羧基端首先从受体上解离。该项研究成果增进了我们对B 类GPCR分子识别机制的认识。

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。

据悉，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Ieva Sutkeviciute 博士为该论文的共同第一作者。徐华强、王明伟、张岩和 Jean-Pierre Vilardaga为共同通讯作者，中科院上海药物所为第一完成单位。

据悉，组织此次攻关“战役” 的四位领军人才各有专长， 优势互补，长期致力于B类 GPCR 的结构和/或功能研究。徐华强曾解析了 PTH1R 胞外区与多肽配体结合的三维结构； 王明伟曾共同领导了跨膜区及全长胰高血糖素受体和胰高血糖素样肽-1 受体晶体结构的确定（Nature集中发表中国科学家多项GPCR重大成果丨BioArt特别推荐）； 张岩擅长于应用冷冻电镜技术解析生物大分子的立体结构； Jean-Pierre Vilardaga 则是甲状旁腺激素研究领域的翘楚。中美两国科学家强强联手，共享资源，仅用一年多的时间便攻克了这个举世瞩目的科学难题，所解析结构的精度在 B 类 GPCR 受体中首屈一指。

附：PTH研究史

参考文献

1. T. J. Gardella, J. P. Vilardaga. Pharmacol. Rev. 67, 310–337 (2015).