Nature | 李晓淳/张诚合作揭示Hedgehog信号通路激活机制

来源：BioArt

Hedgehog （HH）信号通路从昆虫到哺乳动物在进化上高度保守，在胚胎的生长发育和形态发生过程中发挥着关键作用【1】。在哺乳动物中， HH 信号转导主要发生在细胞的纤毛 (cilia) 结构中。HH信号不足会导致先天性发育畸形 (如独眼症，前脑无裂畸形等) ；而过量的HH信号则会引发皮肤基底细胞癌、髓母细胞瘤等肿瘤【2,3】。

哺乳动物中有3 个HH同源蛋白：Sonic hedgehog (SHH)、 Desert hedgehog (DHH) 和Indian hedgehog (IHH)。HH蛋白前体约 45 kD，包含一个N端结构域和一个C端结构域。在其自身C端结构域的催化下，两个结构域会被切开。与此同时，N端结构域（HH-N，约19 kD）的C末端被胆固醇（cholesterol）修饰。随后，HH-N的N端被棕榈酰化修饰，最后生成成熟的，具有信号活性的HH蛋白，并分泌到细胞外。HH蛋白在组织间会被转运到受体细胞从而激活HH信号【4】。

Patched1（PTCH1）是HH蛋白的细胞表面受体，含有12个穿膜螺旋和2个胞外区（ECD-I和ECD-II），不结合HH的情况下，PTCH1定位在细胞纤毛上，抑制HH信号通路。而结合HH后， PTCH1被抑制并内吞进入细胞小泡，离开细胞纤毛，随即被降解或循环回收到细胞膜上。此时，激活性受体Smoothened（SMO），一种F家族的G 蛋白耦联受体 (GPCR)，会转移到细胞纤毛中并激活。激活后的SMO会激活下游的转录因子GLI从而开启整个HH信号通路。PTCH1和SMO没有直接相互作用，信号如何从PTCH1传导到SMO尚无定论。2002年，斯坦福大学Philip Beachy提出了“催化模型”：PTCH1转运一种可以激活SMO的小分子，而当PTCH1被HH抑制并内吞后，这种小分子在细胞膜上积累从而激活SMO【5】。此外，GPCR的F家族成员是否可以结合G蛋白也一直存在争议 【6】。

2018年，西南医学中心李晓淳实验室在Nature和Science上发表的两项研究工作通过细胞生物学和结构生物学手段初步阐释了HH结合并抑制PTCH1分子机制。结构分析显示，PTCH1蛋白中存在一个150Å的长通道，可能用于转运小分子以抑制SMO从而关闭HH信号通路。棕榈酰化修饰的HH蛋白或PTCH1通道内的点突变可以阻断该通道从而激活HH信号通路【7,8】。随后，Philip Beachy实验室发表的论文也证明了阻断这个通道后HH信号会被直接激活，细胞纤毛中的胆固醇会随之积累【9】。值得注意的是，之前的研究显示高浓度的胆固醇可以结合SMO并开启HH信号通路【10】。

2019年6月6日，李晓淳课题组和匹兹堡大学张诚课题组合作在Nature发表了题为Cryo-EM structure of oxysterol-bound human Smoothened coupled to a heterotrimeric Gi的研究论文，利用冷冻电镜解析了SMO在氧化胆固醇（24,25-EC）激活下结合Gi的结构，有助于深入理解HH信号通路的激活机制。

作者从HEK293细胞中纯化出PTCH1蛋白，分离出其结合的小分子。质谱结果显示除胆固醇外，还有四种氧化胆固醇（oxysterol）可以特异性结合PTCH1。其中24,25-epoxycholesterol （24,25-EC）可以在远低于胆固醇浓度下，通过SMO直接激活HH信号通路，而且24,25-EC可以直接激活SMO结合Gi蛋白。作者利用冷冻电镜（cryo-EM）解析了人源SMO在24,25-EC激活下结合Gi的结构。结构分析显示SMO在复合物中处于激活构象。结合细胞生物学和生物化学实验，作者确定SMO的内源性激活剂24,25-EC结合在SMO蛋白的穿膜区与之前报道的合成激活剂和抑制剂的结合口袋一致。而之前的SMO晶体结构显示胆固醇分子结合在SMO的胞外区而不是穿膜区，对比分析表明24,25-EC激活SMO的方式不同于胆固醇。另外，SMO-Gi复合物结构中Gi的空间构象与之前发表的结合A家族GPCR 的Gi的构象大相径庭，显示出一种全新的GPCR-G蛋白结合方式。

该项工作的意义在于从PTCH1蛋白中鉴定出内源性氧化胆固醇24,25-EC，其通过SMO可以直接激活HH信号通路，并且促使SMO结合Gi蛋白；首次报道了F家族GPCR结合G 蛋白的复合物结构；初步揭示了氧化胆固醇激活SMO和G蛋白信号通路的分子机制。

李晓淳实验室博后齐晓峰和张诚实验室博后刘恒为本文共同第一作者，李晓淳和张诚为共同通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1286-0

制版人：珂

参考文献

1.Jiang J & Hui CC (2008) Hedgehog signaling in development and cancer. Developmental cell 15(6):801-812.

2.Lum L & Beachy PA (2004) The Hedgehog response network: sensors, switches, and routers. Science 304(5678):1755-1759.

3.Pak E & Segal RA (2016) Hedgehog Signal Transduction: Key Players, Oncogenic Drivers, and Cancer Therapy. Developmental cell 38(4):333-344.

4.Petrov K, Wierbowski BM, & Salic A (2017) Sending and Receiving Hedgehog Signals. Annual review of cell and developmental biology 33:145-168.

5.Taipale J, Cooper MK, Maiti T, & Beachy PA (2002) Patched acts catalytically to suppress the activity of Smoothened. Nature 418(6900):892-897.

6.Arensdorf AM, Marada S, & Ogden SK (2016) Smoothened Regulation: A Tale of Two Signals. Trends in pharmacological sciences 37(1):62-72.

7.Qi X, Schmiege P, Coutavas E, Wang J, & Li X (2018) Structures of human Patched and its complex with native palmitoylated sonic hedgehog. Nature 560(7716):128-132.

8.Qi X, Schmiege P, Coutavas E, & Li X (2018) Two Patched molecules engage distinct sites on Hedgehog yielding a signaling-competent complex. Science.

9.Zhang Y, et al. (2018) Structural Basis for Cholesterol Transport-like Activity of the Hedgehog Receptor Patched. Cell 175(5):1352-1364 e1314.

10.Huang P, et al. (2016) Cellular Cholesterol Directly Activates Smoothened in Hedgehog Signaling. Cell 166(5):1176-1187 e1114.