Nature︱徐华强/蒋轶/张抒扬团队合作揭秘自身免疫性甲亢甲减的分子机制

撰文︱段佳

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

近年来，甲状腺相关疾病的发病率正逐年上升，我国甲状腺相关疾病的总患病率高达20%。甲状腺相关疾病主要包括甲状腺功能亢进（甲亢）、甲状腺功能减退（甲减）、甲状腺结节，以及甲状腺癌。甲状腺的主要生理功能是分泌甲状腺素调控机体能量代谢，而这依赖于甲状腺细胞表面的促甲状腺素受体（TSHR）感知垂体细胞分泌的促甲状腺激素（TSH）信号[1]。临床发现，弥漫性毒性甲状腺肿（Graves’ disease，GD）是甲状腺功能亢进的主要疾病表型，GD属于自身免疫性疾病，在人群中的总发病率约为1%，且女性的发病率远高于男性，其发病机理是机体免疫系统产生了能够特异性识别TSHR的激活型抗体，甲状腺细胞上的TSHR受到抗体持续激活进而引起甲状腺分泌过多的甲状腺素引发疾病[2]。与此同时，激活型抗体也会激活表达在眼眶成纤维细胞膜上的TSHR，从而导致成纤维细胞的过度增殖和分化，导致眼睛肌肉肿胀，引发格氏眼病（Graves’ orbitopathy，GO），患有GD的患者近半数也会同时患上格氏眼病[3]。此外，临床也存在部分甲减患者，其疾病类型为自身免疫性桥本病（Hashimoto’s disease），Hashimoto’s disease的患者中，一部分是由于免疫系统产生了靶向TSHR的抑制性抗体所致[4]。因此，TSHR在介导甲状腺发挥正常的生理功能外，也参与了甲状腺相关疾病的发生发展（图1）。

图1 TSHR在体内介导的生理及病理过程

（图源：Jia D, et al. Nature, 2022）

2022年8月8日，中国科学院上海药物研究所徐华强研究员团队联合临港实验室蒋轶研究员团队、北京协和医院张抒扬教授团队共同在Nature杂志上发表了最新研究成果“Hormone- and antibody-mediated activation of the thyrotropin receptor”，首次解析了全长TSHR分别处于激素TSH与人源激活型抗体M22结合的激活状态结构以及人源抑制型抗体K1-70结合下的抑制态结构。该项工作首次揭示了TSH与TSHR相互作用的细节模式，阐明了决定TSH和TSHR特异性识别的关键氨基酸残基，并揭示了TSH激活TSHR的分子机制，揭示了抗体激活或抑制受体从而引发GD和Hashimoto’s disease的分子机制，并进一步揭示了小分子别构激动剂ML-109与受体TSHR相互作用细节模式，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。

TSH属于糖蛋白激素的一员，与绒毛膜促性腺激素CG、促黄体生成素LH，以及促卵泡激素FSH共同构成糖蛋白激素家族。在人体内，四种糖蛋白激素可作用于三种糖蛋白激素受体，除TSH可以作用于TSHR外，CG和LH可以共同作用于LHCGR，FSH则可以作用于FSHR。LHCGR和FSHR主要在性腺高表达，参与调控人体性别发育、第二性征的维持以及生殖等，同时也是目前研究治疗不孕不育以及体外辅助生殖技术的主要靶点。

该合作团队长期致力于糖蛋白激素受体家族的结构与功能研究，并在糖蛋白激素研究领域取得了突破性进展。2021年，该团队在Nature上首次报道了第一个全长糖蛋白激素受体LHCGR处于失活状态和多种激活状态下共四个结构，首次揭示了CG与LHCGR相互作用的细节模式，阐明了决定LHCGR和FSHR对于CG，LH以及FSH选择性的关键氨基酸残基，并揭示了受体从失活状态到激活状态的结构变化，提出了激素CG激活受体的“推拉（push and pull）”模型，并进一步揭示了处于1期临床实验的小分子化合物Org43553与受体LHCGR相互作用细节模式，为临床开发靶向LHCGR的小分子药物提供了结构依据[5]。2022年，该团队在bioRxiv上发表了第一个全长FSHR处于失活和激素激活状态下的结构，再次证实了激素FSH激活FSHR仍遵循“push and pull”模型，并通过与LHCGR、TSHR比较，进一步详细探究了决定FSHR选择性识别不同小分子别构激动剂的关键氨基酸位点，为靶向FSHR的选择性小分子药物设计奠定了结构基础[6]。

TSH作为糖蛋白激素的重要一员，由于其结构的复杂性及不稳定性，目前仍无任何TSH的结构信息被报道。TSH是用于辅助治疗甲状腺癌的重要临床药物，同时也是包括McCune-Albright 综合征、垂体促甲状腺激素腺瘤以及原发性先天性甲状腺功能减退症在内的多种重大罕见病的重要靶标和关键分子[7, 8]。但TSH如何作用于TSHR引发甲状腺素分泌的分子机制却一直未知；TSHR能够引发自身免疫性甲亢或甲减的发生，但人源激活型抗体和抑制性抗体是如何作用于TSHR继而引发受体激活或抑制的机制也仍然未知，而激活型抗体与激素TSH激活TSHR的方式有何区别也仍有待进一步的探索。此外，靶向TSHR的小分子别构激动剂是如何激活受体的分子机制也一直是研究的重点。

研究团队采用单颗粒冷冻电镜技术分别对TSH激活TSHR形成的Gs复合物、人源激活型抗体M22激活TSHR形成的Gs复合物以及人源抑制型抗体结合的TSHR进行了结构重塑，其中TSH-TSHR-Gs复合物结构的整体分辨率为2.96埃，胞外局部分辨率为2.67埃，M22-TSHR-Gs复合物结构的整体分辨率为2.78埃，胞外局部分辨率为2.39埃，K1-70-TSHR复合物的分辨率为5.46埃（图2a-c）。

图2 TSH、M22以及K1-70与TSHR和Gs蛋白的复合物结构比较

（图源: Jia D, et al. Nature, 2022）

通过结构分析，研究人员首次确定了激素TSH与TSHR特异性识别的关键氨基酸残基。通过对比K1-70结合的抑制状态和TSH激活下的激活状态TSHR结构，研究人员发现K1-70可以稳定地结合处于失活状态的受体胞外结构域（ECD）表面，而TSH与失活受体ECD结合时会与细胞膜产生空间位阻，从而推动受体ECD向上偏转，即“pull”的作用；与此同时，研究人员进一步证实了从受体铰链区延伸的loop与激素TSH也存在相互作用，该loop会进一步拉动受体ECD和TSH整体向上偏转，即“pull”的作用，结合两种作用，研究人员再次证实了TSH激活TSHR仍遵循“push and pull”激活模型，即糖蛋白激素激活受体均遵循“push and pull”这一保守的激活机制（图2d-e）。与此同时，从结构比较发现，抑制型抗体主要通过与TSH竞争性结合TSHR从而抑制受体的激活。而与抑制型抗体K1-70相比，抗体M22与处于失活态的受体ECD结合时，会与细胞膜存在空间位阻，从而推动受体ECD向上偏转，产生 “push”的作用，进一步研究表明抗体与铰链区loop并不存在相互作用，即抗体激活受体只存在“push”这一种作用方式（图2f）。最后，研究人员也分析了小分子激动剂ML-109与受体TSHR相互作用的分子细节，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（图2g-j）。

文章结论与讨论，启发与展望

综上，本研究系统性地研究了TSHR与内源性激素TSH和小分子激动剂ML-109的结构，首次揭示了激素TSH和别构激动剂ML-109诱导受体激活的机制；通过解析激活型抗体M22和抑制型抗体K1-70与TSHR的结构，揭示了TSHR 如何被自身免疫性抗体激活或抑制的结构基础，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和小分子药物的设计和开发提供更加清晰地模板和思路。然而，由于K1-70与TSHR的复合物结构分辨率较低，有关于抑制型抗体如何与受体相互作用的详细分子机制仍有待进一步的探究。此外，小分子拮抗剂是如何作用于TSHR的分子机制也有待继续探索。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05173-3

作者简介（上下滑动阅读） 

徐华强：中国科学院上海药物研究所研究员，主要从事蛋白质结构和药物研发。目前已发表SCI论文250余篇，其中CNS 31篇，引用次数超过29000次，连续多年被评为“全球高被引学者”，并获得专利十余项。研究成果曾被《Science》杂志评为“2009年十大突破之一”、入选“2014年度中国科学十大进展”和入选两院院士评选“2015年中国十大科技进展新闻”。2016年荣获国际蛋白质学会Hans Neurath奖和“药明康德生命化学研究奖”杰出成就奖。2019年、2021年荣获中国科学院优秀导师奖。2020年荣获上海市“白玉兰纪念奖”。2021年荣获第十三届“谈家桢生命科学成就奖”。2022年荣获第二十二届“吴阶平-保罗杨森医学药学奖”。

蒋轶：临港实验室研究员，主要从事与重大疾病相关GPCR的结构与功能研究。在国际上解析了首个五羟色胺受体——人五羟色胺受体1B亚型的晶体结构，并系统性地对五羟色胺受体和多肽激素受体进行了结构与功能研究。共发表SCI论文累积超过70篇，以共同第一/通讯作者身份在Nature、Science、Cell Res.、Nat. Chem. Biol.、Nat. Struct. Mol. Biol.、Nat. Commun.等杂志发表论文30篇，其中最高单篇引用超过500次。主持国家新药创制科技重大专项和基金委面上项目等科研项目，入选首批中国科学院卓越青年科学家、上海市青年科技启明星计划（A类）、中国科学院青年创新促进会，获得赛诺菲-生科院青年科学家奖等。

张抒扬：中国医学科学院北京协和医院主任医师、教授，主要从事与重大疾病和罕见病相关的临床队列和基础研究，在NEJM、Science、Lancet等国内外学术期刊发表论文数百篇论文，2020年被评为全国抗击新冠肺炎疫情先进个人，同年，被授予“抗击新冠肺炎疫情全国三八红旗手”称号，入选“2020年人民好医生”名单 ，2021年，获得2020年度全国三八红旗手标兵荣誉称号。2022年荣获“十大卓越贡献院管专家称号”。2022年4月，荣获2022年全国五一劳动奖章。

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参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Feldt-Rasmussen, U., Effraimidis, G. & Klose, M. The hypothalamus-pituitary-thyroid (HPT)-axis and its role in physiology and pathophysiology of other hypothalamus-pituitary functions. Mol Cell Endocrinol 525, 111173, doi:10.1016/j.mce.2021.111173 (2021).

[2] Kopp, P. The TSH receptor and its role in thyroid disease. Cell Mol Life Sci 58, 1301-1322, doi:10.1007/pl00000941 (2001).

[3] Wiersinga, W. M. & Bartalena, L. Epidemiology and prevention of Graves' ophthalmopathy. Thyroid 12, 855-860, doi:10.1089/105072502761016476 (2002).

[4] Dechairo, B. M. et al. Association of the TSHR gene with Graves' disease: the first disease specific locus. Eur J Hum Genet 13, 1223-1230, doi:10.1038/sj.ejhg.5201485 (2005).

[5] Duan, J. et al. Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signalling complexes. Nature, doi:10.1038/s41586-021-03924-2 (2021).

[6] Duan, J. et al. Universal mechanism of hormone and allosteric agonist mediated activation of glycoprotein hormone receptors as revealed by structures of follicle stimulating hormone receptor. bioRxiv (2022).

[7] Mastorakos, G., Mitsiades, N. S., Doufas, A. G. & Koutras, D. A. Hyperthyroidism in McCune-Albright syndrome with a review of thyroid abnormalities sixty years after the first report. Thyroid 7, 433-439, doi:10.1089/thy.1997.7.433 (1997).

[8] Abduljabbar, M. A. & Afifi, A. M. Congenital hypothyroidism. J Pediatr Endocrinol Metab 25, 13-29, doi:10.1515/jpem.2011.408 (2012).

本文完