Nature子刊：上海藥物所徐華強等合作揭示FSH激素相關研究

　　促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，FSH）是由垂體分泌的一種糖蛋白激素，能夠作用于性腺（睪丸或卵巢）組織特定靶細胞上的卵泡刺激素受體（FSHR），從而調控卵泡的成熟和排卵，以及誘導精子的發生。FSH-FSHR信號穩態是人體生殖系統最重要的調控樞紐。此外，越來越多的證據表明，分布于性腺之外的FSHR的功能異常與阿爾茨海默癥、骨質疏松癥、肥胖癥和癌癥等密切相關。

　　在人體內，FSH與其他三種糖蛋白激素，包括促黃體生成素(luteinizing hormone，LH)，絨毛膜促性腺激素（chorionic gonadotropin，CG），以及促甲狀腺激素（thyroid-stimulating hormone, TSH），共同構成了糖蛋白激素亞家族并參與維持內分泌穩態。四種糖蛋白激素可作用于三種糖蛋白激素受體，除FSH作用于FSHR外，CG和LH可以共同作用于LHCGR，TSH則作用于TSHR。LHCGR和FSHR類似，主要在性腺高表達，共同參與調控人體性別發育、第二性征的維持以及生殖等。而TSHR則主要在甲狀腺高表達，調控甲狀腺的功能及人體代謝等。

　　臨床上，FSH作為治療藥物廣泛用于女性無排卵性不孕和體外輔助生殖技術以及男性性腺功能減退癥等生殖系統疾病的治療，但目前有關FSH是如何作用于FSHR從而激活受體的分子機制尚不清楚。FSHR作為研究治療不孕癥最重要的藥物靶點之一，靶向該受體的小分子激動劑能夠用于替代激素治療，小分子拮抗劑則可能用于開發口服避孕藥，然而，由于FSHR結構信息的缺乏、三種糖蛋白激素受體序列同源性高等原因，使得大部分現有小分子化合物的選擇性較差，難以進入臨床研究。因此，解析全長FSHR結構，并確定決定三種糖蛋白激素受體小分子特異性的關鍵氨基酸位點對于指導靶向FSHR以及其他兩種糖蛋白激素受體的小分子藥物研發意義重大。

　　2023年1月31日，中國科學院上海藥物研究所徐華強研究員聯合浙江大學張巖教授、北京協和醫院張抒揚教授共同通訊在Nature Communications 雜志上發表了最新研究成果“Mechanism of hormone and allosteric agonist mediated activation of follicle stimulating hormone receptor”，首次解析了全長FSHR分別處于激素FSH和小分子激動劑Compound21f結合的激活狀態結構以及小分子抑制劑結合下的抑制態結構。該項工作的主要亮點有：①首次揭示了FSH激活FSHR的分子機制，并證實了三種糖蛋白激素激活對應受體的通用保守激活機制；②揭示了小分子激動劑Compound21f與受體FSHR相互作用細節模式；③確定了決定FSHR受體差異性識別不同小分子化合物的關鍵氨基酸位點；④分析了FSHR天然點突變引發受體結構變化進而導致受體功能變化的可能原因。這些結果為臨床靶向FSHR乃至整個糖蛋白激素受體家族開發用于治療相關疾病的小分子藥物提供了重要的結構依據。

　　研究人員通過加入外源激素FSH和小分子激動劑Compound21f使FSHR處于穩定的激活狀態，通過加入小分子抑制劑Compound24使FSHR處于穩定的失活狀態，從而利用單顆粒冷凍電鏡技術進行結構重塑（圖1a）。通過對獲得的結構進行分析比較，發現處于失活態和激活態受體的胞外結構域構象變化最為顯著，受體從失活態到激活態，其胞外結構域向上偏轉了48?，這表明FSH的結合主要通過引起受體胞外域的構象變化從而使受體激活(圖1b)。進一步，研究人員分別比較了FSH與FSHR、TSH與TSHR以及CG與LHCGR結合的結構，以及三種受體處于失活狀態的結構，發現三種受體均處于激活時的構象，或均處于失活時的構象十分相似，證實了糖蛋白激素激活對應受體時均遵循相同的激活機制。進一步，研究人員還發現三種受體激活信號從胞外向胞內傳遞的結構基礎也是保守的。

圖1-FSHR冷凍電鏡結構及失活態與激活態結構比較

　　分析小分子的結合口袋，研究人員發現三種受體的小分子結合口袋高度重疊，受體與小分子之間主要是疏水相互作用。通過對FSHR的小分子結合口袋的氨基酸位點進行分析，研究人員發現FSHR跨膜區（TMD）的TM5以及TM6上端與TSHR構象存在差異，且FSHR的小分子結合口袋上端為丙氨酸（A352），TM7上的組氨酸（H6157.42）和TM2上的異亮氨酸（I4112.53）與LHCGR和TSHR對應位置的氨基酸種類不同。進一步的突變實驗發現，將FSHR的TM5/TM6上端突變為TSHR的氨基酸序列以及將FSHR的A352突變成TSHR的谷氨酸（Glu）并不能使特異性激活TSHR的小分子ML-109激活FSHR（圖2a），而如果將FSHR的H6157.42 和I4112.53突變為TSHR上對應位置的氨基酸Y6677.42和 M4632.53,則會使ML-109也能夠激活FSHR（圖2b-c），與此一致的是，Compound21f對攜帶H6157.42Y突變的FSHR親和力降低了大約4倍（圖2d）。通過結合進一步的分子對接實驗和結合能的計算，研究人員證實了FSHR的小分子結合口袋中的H6157.42決定了FSHR對不同小分子親和力的差異性。

圖2-激素FSH及小分子激動劑對野生型及突變體FSHR的濃度

　　綜上，研究人員通過對處于激活態和抑制態FSHR的結構解析，以及大量的細胞水平的突變實驗，系統地揭示了FSHR有關激素激活、小分子結合的分子基礎，并確定了FSHR差異性識別不同小分子的關鍵氨基酸位點，為臨床靶向FSHR乃至整個糖蛋白激素受體家族開發用于治療相關疾病的小分子藥物提供了重要的結構依據。

　　上海藥物研究所段佳博士、徐沛雨博士（現為MIT博士后）、浙江大學張會冰博士以及清華大學欒曉東博士為本文共同第一作者。徐華強研究員、張巖教授、張抒揚教授為本文共同通訊作者。

　　該論文的第一作者段佳博士已于近期獨立并成立自己的課題組，段佳博士的主要研究方向為激素類受體的結構與功能研究、G蛋白偶聯受體（GPCR）偏向性信號轉導機制研究以及偏向性藥物發現。近年來，段佳博士在GPCR的結構與功能研究領域取得了突破性進展，先后解析了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（Nature 2021）；解析了TSHR與內源性激素TSH和小分子激動劑ML-109的結構以及人源激活型抗體M22和抑制型抗體K1-70與TSHR的結構(Nature 2022)；開發了一種穩定GPCR與G蛋白復合物的NanoBiT交聯技術（Nature Communications 2020）；揭示了GPCR選擇性偶聯下游不同G蛋白亞型的分子基礎（Nature Communications 2022； Nature Communications, accepted； Cell Discovery 2022），歡迎有意向加入該課題組的青年才俊通過郵箱與其聯系：duanjia@simm.ac.cn。