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中国科学技术大学田长麟/石攀等揭示内源性肽激动剂或其口服类似物激活促甲状腺激素释放激素受体的机理

日期:2022-03-31  浏览次数:443

来源:iNature

促甲状腺激素释放激素 (TRH) 是一种三肽 (L-pyroglutamyl–L-histidinyl–L-prolinamide),广泛分布于大脑和脊髓,具有内分泌激素和神经肽的双重作用。尽管 TRH 具有很高的生理潜力,但仍有几个缺点阻碍了其广泛的药理应用。已经合成了许多 TRH 类似物以避免这些不良特性。其中一种类似物,他替瑞林(TAL)表现出改善的中枢神经系统活性和更好的药理特性。TAL 已被批准用于脊髓小脑变性(SCD)患者的治疗。然而,TAL 比 TRH对TRHR 更好的药理特性的结构机制仍然未知。


2022年3月29日,中国科学技术大学田长麟石攀及清华大学刘磊共同通讯在Cell Research在线发表题为“Structural insights into thyrotropin-releasing hormone receptor activation by an endogenous peptide agonist or its orally administered analogue”的研究论文该研究发现TAL 表现出比 TRH 更低的 TRHR 效力,但下游信号传输效率更高。该研究实施了 NanoBiT 束缚策略以获得 TRHR-Gq 复合物的结构,与 TRH 和 TAL 结合的 TRHR-Gq 复合物的冷冻电镜结构分别以 3.19 Å 和 3.26 Å 的分辨率测定。


结构比较表明,Y1925.39、N2896.58 与 TRH 之间的氢键相互作用更强,而与 TAL 的二嗪烷-环己烷的相互作用减弱。TAL和TRHR-ECL2之间减弱的相互作用使得TAL的配体结合口袋比TRH宽。此外,TAL 结合的 TRHR 与 TRH 结合的 TRHR 的结构比较表明,TM6 处旋转异构体拨动开关的偏转和 TM7 胞质末端 NPxxY 基序中的侧链重新定向可能是 TAL 与 TRH 相比更高功效的原因。这些结果提供了对 TAL 与内源性肽 TRH 的较低效力但较高的 TRHR-Gαq 传递效率的机制的结构性见解。了解 TRHR-Gq 的结构和药理特性之间的相关性将有利于进一步合理开发针对 TRHR 和其他 GPCR 的药物。


促甲状腺激素释放激素 (TRH) 是一种三肽 (L-pyroglutamyl–L-histidinyl–L-prolinamide),广泛分布于大脑和脊髓,具有内分泌激素和神经肽的双重作用。TRH 在下丘脑-垂体-甲状腺 (HPT) 轴中起核心作用。TRH 主要在下丘脑合成,刺激垂体前叶释放促甲状腺激素(TSH,也称为促甲状腺激素)和催乳素。TRH 激活 AG 类蛋白偶联受体 (GPCR) 促甲状腺激素释放激素受体 (TRHR),导致 Gαq/G11 偶联,随后产生 1,4,5-三磷酸肌醇和细胞内 Ca2+ 离子的释放。


在下丘脑之外,TRH 作为神经递质或神经调节剂发挥作用,并表现出抗抑郁活性、唤醒、兴奋和神经保护作用、心血管和胃肠道自主神经功能。TRH 被认为是一种很有前景的肽模板,可用于治疗脑和脊髓损伤或中枢神经系统 (CNS) 疾病的类似物开发,包括癫痫、精神分裂症、脊髓创伤、阿尔茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD) 和抑郁症。


尽管 TRH 具有很高的生理潜力,但仍有几个缺点阻碍了其广泛的药理应用。特别是,据报道,TRH 具有短半衰期(< 10 min)、高亲水性(穿透血脑屏障 BBB 的能力差)和强烈的 HPT 轴刺激副作用。已经合成了许多 TRH 类似物以避免这些不良特性。其中一种类似物,他替瑞林(TAL)表现出改善的中枢神经系统活性和更好的药理特性。TAL 已被批准用于脊髓小脑变性(SCD)患者的治疗。TAL 是一种口服的 TRH 类似物,与 TRH 相比,其有效持续时间长 8 倍、亲和力低、内在功效高、CNS 兴奋剂活性高约 100 倍。然而,TAL 比 TRH对TRHR 更好的药理特性的结构机制仍然未知。



与内源性肽 TRH 或口服肽类似物 TAL 结合的人 TRHR-Gq 复合物的冷冻电镜结构(图源自Cell Research )


在此,该研究发现TAL 表现出比 TRH 更低的 TRHR 效力,但下游信号传输效率更高,这与之前的功能研究一致。为了稳定 TRHR-Gq 复合物,该研究实施了 NanoBiT 束缚策略以获得 TRHR-Gq 复合物的结构。与 TRH 和 TAL 结合的 TRHR-Gq 复合物的冷冻电镜结构分别以 3.19 Å 和 3.26 Å 的分辨率测定。TRHR-Gq 复合物激动剂结合口袋中 TRH 和 TAL 的电子密度明确定义。这使得对 TRHR 和 TRH 或 TAL 之间相互作用的详细分析成为可能,为激动剂结合后 TRHR 的激活提供了结构性见解。 


总之,分别测定了与内源性激动剂 TRH 和口服肽类似物 TAL 结合的 TRHR-Gq 复合物的冷冻电镜结构。结构比较表明,Y1925.39、N2896.58 与 TRH 之间的氢键相互作用更强,而与 TAL 的二嗪烷-环己烷的相互作用减弱。此外,TAL和TRHR-ECL2之间减弱的相互作用使得TAL的配体结合口袋比TRH宽。此外,TAL 结合的 TRHR 与 TRH 结合的 TRHR 的结构比较表明,TM6 处旋转异构体拨动开关的偏转和 TM7 胞质末端 NPxxY 基序中的侧链重新定向可能是 TAL 与 TRH 相比更高功效的原因。

这些结果提供了对 TAL 与内源性肽 TRH 的较低效力但较高的 TRHR-Gαq 传递效率的机制的结构性见解。此外,与其他 A 类 GPCR-G 蛋白复合物相比,TRHR-Gαq 界面存在显著差异。了解 TRHR-Gq 的结构和药理特性之间的相关性将有利于进一步合理开发针对 TRHR 和其他 GPCR 的药物。

参考消息:https://www.nature.com/articles/s41422-022-00646-6