甲状腺激素是最重要的代谢激素之一，作用于人体几乎全部的细胞。当人遭遇危险而情绪紧张时首先会刺激下丘脑释放促甲状腺激素释放激素 (TRH)，TRH的分泌进一步刺激垂体释放促甲状腺激素 (TSH)。TSH通过激活主要在甲状腺细胞上表达的G蛋白偶联促甲状腺激素受体 (TSHR) 来控制甲状腺激素的合成1。
TSH 属于糖蛋白激素家族，该家族还包括促卵泡激素 (FSH)、促黄体生成素和绒毛膜促性腺激素 (CG)2。TSHR 和相关的糖蛋白激素受体包含亮氨酸重复结构域 (LRRD)、铰链区和跨膜结构域 (TMD)。其中，TSHR α亚基可以从β亚基中解离出来，成为抗原，进一步被免疫系统识别并产生自身抗体3。激活TSHR的自身抗体，包括M22，会增加甲状腺激素的异常分泌并导致 Graves病和眼眶病；抑制TSHR的自身抗体，如 K1-70，会抑制甲状腺激素分泌从而导致甲状腺功能减退。这些疾病正影响着全球数亿患者，然而，TSH和抗体介导的TSHR激活的基础尚不清楚。
2022年8月8日，中国科学院上海药物研究所徐华强实验室联合临港实验室研究员蒋轶、北京协和医院教授张抒扬，在Nature期刊上发表了题为Hormone- and antibody-mediated activation of the thyrotropin receptor的论文。首次解析了全长TSHR分别与TSH和激活型自身抗体M22结合的激活状态结构以及全长TSHR与抑制型自身抗体K1-70结合下的抑制态结构。该研究首次揭示了TSH与TSHR相互作用的细节模式，解析了TSH激活TSHR的分子机制，阐释了抗体激活或抑制受体从而引发甲状腺相关疾病的分子机制，为临床开发用于治疗甲状腺相关疾病的抗体或小分子药物提供了结构依据。
研究者采用Cryo-EM技术，解析了TSH、TSHR和mini-Gs-Gβγ 异三聚体、变构激动剂ML-109、稳定Gs纳米抗体Nb3525的复合物结构，整体分辨率为2.96 Å，局部胞外结构域 (ECD) 分辨率高达2.67 Å。其中ML-109 作为TSHR特异性变构激动剂，用以稳定复合物。
图2. TSH-TSHR-Gs 复合物的冷冻电镜结构
TSH-TSHR复合物的整体结构显示出相对于膜层的直立ECD构象，TSH与ECD的凹面结合。在该结构中，TSH与第2-10条亮氨酸重复序列 (LRR) 形成直接接触，具有电荷互补和形状匹配的相互作用。与受体结合的TSH与其他糖蛋白激素的ECD结构和结合界面大体相似，但主要区别在于TSH β亚基的 C末端“安全带”结构。TSH的“安全带”结构差异导致结合界面中存在不同的相互作用，从而决定了TSH结合的特异性。TSH-TSHR结构与CG-LHCGR（绒毛膜促性腺激素受体）复合物的活性结构高度相似，表明TSH和CG都通过共同机制稳定受体活性构象。有趣的是，TSHR ECD相对于LHCGR结构额外旋转了约12°到直立位置。
图3. TSH和TSHR之间的激素特异性和相互作用
为了进一步探究TSH介导的TSHR激活机制，研究者解析了阻断抗体K1-70-TSHR 复合物结构，分辨率为5.46 Å。与之前报道一致，K1-70与TSH的结合界面重叠，从而阻断了TSH的结合。K1-70-TSHR复合物与失活LHCGR结构比较表明，TSHR的ECD具有与失活LHCGR结构相似的向下构象。在这个位置，K1-70不会与膜层发生冲突。而无论何种形式的TSHR ECD表明，TSH都将与膜层发生冲突，其方式类似于CG与LHCGR的结合。活性和失活TSHR的结构比较表明，TSH结合推动ECD从失活构象旋转约38°，到直立活性构象。除了TSHR激活的推动模型外，TSHR ECD还被铰链区拉动，以稳定直立活性构象。总之，TSH介导的TSHR激活与CG诱导的LHCGR激活具有相似的“push and pull”激活模型。
此外，为了揭示抗体诱导的TSHR激活机制，研究者还解析M22-TSHR与 ML-109结合的复合物结构，分辨率为2.78 Å，胞外局部分辨率为2.39 Å。M22表现出与TSH相似的激活TSHR的有效活性。在全长TSHR复合物中，M22-TSHR结合界面延伸到ECD-TMD界面附近的LRR 11-12区域。将M22结合结构的TSHR ECD 叠加到失活的ECD结构上表明 M22的重链将与膜层发生冲突，这与TSHR激活的“push model”激活模型一致。然而，没有观察到 M22和铰链区之间的相互作用，这表明抗体介导的TSHR激活不是通过“pull model” 激活模型介导的。
最后，研究者分析了小分子变构激动剂ML-109对受体TSHR的激活作用，并通过进一步的突变实验确定了决定ML-109特异性识别并激活TSHR而不激活LHCGR的关键氨基酸残基。
总的来说，本篇文章首次报道了TSHR与内源性激素TSH和变构激动剂 ML-109的结构，揭示了激素和变构激动剂诱导受体激活的机制。此外，还报道了与自身激活抗体M22和自身阻断抗体K1-70结合的TSHR的结构，揭示了TSHR如何被自身抗体上调或下调的结构基础，从而为针对TSHR功能异常从而引发的自身免疫性疾病的抗体药物和小分子药物发现提供了更加清晰的模板和思路。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05173-3
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来源：结构生物学高精尖创新中心
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