Cell | 程亦凡等团队合作揭示细胞间TGF-β信号激活与传导的机制

TGF-β是一种潜伏复合物(L-TGF-β)，是发育和免疫所必需的，其表达形式与其原结构体非共价相关，并通过与GARP共价结合呈现在免疫细胞表面。结合整合素αvβ8，激活L-TGF-β1/GARP。传统观点认为成熟的TGF-β必须与L-TGF-β1物理分离才能发生信号传导。αvβ8介导的TGF-β自分泌信号可以在TGF-β1未从潜伏形态释放的情况下发生。

2024年9月16日，加州大学旧金山分校程亦凡及Stephen Nishimura共同通讯在Cell 在线发表题为“Dynamic allostery drives autocrine and paracrine TGF-β signaling”的研究论文，该研究表明与TGF-β1缺乏的小鼠不同，经过工程改造表达TGF-β1不能从L-TGF-β1中释放的小鼠存活，并没有早期致死性组织炎症。

结合冷冻电镜和细胞实验，该研究揭示了自分泌TGF-β1信号不释放的动态变构机制，其中αvβ8结合重新分配了L-TGF-β1的固有灵活性，使TGF-β1暴露于其受体。动态变构解释了TGF-β3的潜伏期/活化机制，以及TGF-β3与TGF-β1功能不同的原因，提示其广泛适用于其他柔性细胞表面受体/配体系统。

转化生长因子-β (TGF-β)是一种多功能细胞因子，在发育、免疫、癌症和纤维化中起关键作用。TGF-β有三种不同的基因产物(TGF-β1、-β2和-β3)，它们都以无活性(潜伏)形式(L-TGF-β)表达，“激活”对功能至关重要。大多数治疗性TGF-β靶向策略并没有关注特定的潜伏和/或激活机制，而是关注TGF-β信号的整体抑制，并且具有显著的毒性。更好地了解潜伏和激活可能有助于更好地针对TGF-β的治疗方法。

成熟TGF-β的潜伏期是由其在生物合成过程中与furin切割的N端原域的非共价结合决定的。原结构体将成熟的TGF-β同型二聚体围成环状二硫连接的同型二聚体(潜伏期相关肽[LAP])，形成L-TGF-βLAPs具有四个基本功能:(1)通过约束域的套索环屏蔽成熟TGF-β与其受体的接触，从而赋予潜伏期；(2)通过结合TGF-β环境分子将L-TGF-β隔离到基质或细胞表面，使L-TGF-β与细胞表面稳定并共价连接；(3)促进适当折叠和有效分泌；(4)结合必需的活化蛋白，特别是整合素。

活性成熟的TGF-βs是在TGF-β受体(TGF-β r)结合域高度保守的二硫链同二聚体，尤其是成熟的TGF-β1和-β3，它们与TGF-β Rs (TGF-β R1 /TGF-β R2)结合的亲和力相似。尽管存在这种保守性，TGF-β1或TGF-β3缺失的小鼠具有不同的表型，这可能是由于TGF-β1和-β3的LAPs之间整体低同源性预测的个体潜伏期和/或激活机制所致。有趣的是，TGF-β1和-β3 LAPs均含有整合素结合基序RGDLXXL/I，并结合αvβ6和αvβ8两种整合素，这两种整合素在体内共同承担了TGF-β1的大部分功能和TGF-β3的部分功能。整合素结合最终导致TGF-β活化，导致自分泌或旁分泌TGF-β信号传导，其机制仍在推测中。

文章模式图（图源自Cell ）

整合素αvβ6和αvβ8的结构和序列差异提示TGF-β活化的不同机制可能与TGF-β的环境特异性功能有关。在αvβ6的情况下，全局构象变化将力从肌动蛋白细胞骨架传递给L-TGF-β，破坏LAP并允许释放成熟的TGF-β用于旁分泌信号传导。这一机制需要高度保守的β6-亚基细胞质结构域，该结构域与肌动蛋白细胞骨架结合。然而，αvβ8介导的释放成熟的TGF-β1难以检测，表明旁分泌TGF-β1信号传导效率低下。因此，αvβ8不发生全局构象变化，αvβ8介导的TGF-β1激活不需要产生肌动蛋白-细胞骨架力，因为β8胞质结构域不需要激活，也不与肌动蛋白结合。然而，当L-TGF-β通过与GARP结合而稳定时，αvβ8结合如何在没有机械力的情况下诱导L-TGF-β柔韧性，以及这种机制是否与生理相关，目前尚不清楚。

该研究首先验证了不释放TGF-β1的自分泌信号与生理相关。研究人员设计的敲入小鼠在全局范围内仅表达tgfb1，并具有突变的furin切割位点，不能释放TGF-β1。TGF-β信号在这些小鼠存活、繁殖过程中保持完整，并且免于TGF-β1缺乏引起的致死性早期组织炎症，证明成熟的TGF-β与其潜在复合物结合可以被激活，与其受体结合，并发出信号接下来，研究人员将探索TGF-β1与TGF-βRs结合而不释放的机制。

该研究描述了一个动态变构模型，在与αvβ8结合后，L-TGF-β RGD结合区周围局部构象熵的减少增加了L-TGF-β/GARP远端区域周围的构象熵，使成熟的TGF-β暴露于TGF-β Rs而不释放。为了支持该模型，该研究测定了L-TGF-β3/GARP的结构，表明L-TGF-β1和-β3的基础构象熵的程度不仅决定了整合素非依赖性TGF-β激活的基础水平，而且还决定了驱动整合素依赖性TGF-β激活的熵。整合素介导的L-TGF-β3的熵变水平高于-β1，导致成熟的TGF-β3在旁分泌释放，而不是-β1，这表明自分泌和旁分泌TGF-β信号通路的异构体特异性机制。此外，稳定αvβ8/L-TGF-β/GARP的不同柔性结构域可以控制熵重分布的方向。总的来说，基于结构和细胞的方法揭示了一种基于蛋白质动态的变构机制，该机制可以在大距离上跨蛋白质复合物重新分配构象熵，该机制与肌动蛋白细胞骨架力无关，并决定自分泌和旁分泌TGF-β功能。总之，这些结果促进了对TGF-β家族成员的潜伏期和激活的机制理解，为了解蛋白质动态介导的信号通过柔性细胞表面蛋白传播的结构提供了路线图。

本期来源：iNature‍