“医院挂号，请医生开了一些绒促性素注射剂。后来，经过活性测试发现，医院卖的激素活性非常高，是从孕妇尿液中提取出来的天然激素。通过这条线索我们获得了三种糖蛋白激素：人绒毛膜促性腺激素、促卵泡激素以及促甲状腺激素，解决了研究糖蛋白激素受体激活结构的关键一步。”中科院上海药物研究所博士生段佳表示。
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段佳（来源：段佳）
目前，段佳也是徐华强研究员的课题组成员。近日，该团队的一篇论文发表在Nature上，揭开了自身免疫性甲亢甲减的分子机制“秘密”。
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徐华强（来源：资料图）
这一成果的应用价值在于：既然基于结构提供的线索和思路，可以设计开发针对自身免疫性甲亢、甲减的药物，那么也将给开发治疗其他自身免疫性疾病的药物带来借鉴价值。
（来源：Nature）
糖蛋白激素临床应用已取得巨大成功，相关机制却不甚明了
人类的繁衍生息、能量代谢，均离不开糖蛋白激素的存在。该类激素是内分泌系统的重要组成部分，包括促卵泡激素、促黄体素、绒毛膜促性腺激素以及促甲状腺激素，与机体的性别发育、生殖、能量代谢等密切相关。其中，促甲状腺激素负责调控甲状腺的生理功能，从而调控机体能量代谢、生长等。
糖蛋白激素通过作用于细胞膜上的受体来发挥生理功能，该类受体属于G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptors，GPCR）。
当激素作用于受体时即可引起受体激活，进而主要招募下游的刺激型Gs蛋白，引发信号级联反应，从而实现功能调控。
此外，糖蛋白激素系统功能异常也可导致多种代谢性疾病，如不孕，性早熟，甲状腺疾病等。其中，甲状腺功能异常的两大疾病表型分别为甲状腺功能亢进（甲亢）和甲状腺功能减退（加减）。
自身免疫性甲亢是甲亢的主要疾病类型。研究发现，机体免疫系统被促甲状腺素受体胞外结构片段异常激活之后，能产生大量的激活型抗体、以及抑制性抗体。
这些抗体可直接作用于细胞上完整的促甲状腺素受体，从而引起受体被过度激活、或被过度抑制，最终引发自身免疫性甲亢或甲减。
（来源：Nature）
目前，糖蛋白激素中的几大类，均被作为重要的临床治疗药物。其中：
促卵泡激素和促黄体激素用于辅助生殖及体外受精，以及治疗女性不孕症和男性促性腺功能减退症等；人绒毛膜促性腺激素，则用于诱导女性排卵、以及增加男性精子数量；促甲状腺激素用于辅助治疗甲状腺癌，同时也是治疗多种重大罕见病的重要靶标和关键分子，比如多发性骨纤维发育不良伴性早熟综合症、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等。
几十年来，尽管糖蛋白激素的临床应用取得了巨大成功，年销售额达数十亿美元，但其在人体内发挥生理功能的分子机制尚不明确。
比如，激素如何选择性地作用于不同受体？被作用的受体通过何种机制被激活？糖蛋白激素受体的天然点突变，如何导致疾病发生和发展？自身免疫性抗体如何激活、或抑制促甲状腺素受体，继而引发自身免疫性甲状腺疾病？这一系列重要科学问题，依然有待回答。
而糖蛋白激素受体结构的特殊性，导致其难以以体外表达纯化的方式获得这类受体，这使得利用结构生物学的手段研究这类受体的激素选择性、激素激活机制时，仍会面临很多阻碍。
同时，结构信息的缺乏以及不同受体的序列同源性高等，也极大限制了靶向这类受体的小分子治疗药物的研发。
为此，该团队采用结构生物学的手段，首次分别解析了全长促甲状腺素受体与激素促甲状腺素、人源激活型抗体和抑制型抗体的复合物结构。
通过结构分析，他们首次确定了激素与受体特异性识别的关键氨基酸位点。而通过对比抑制型抗体和激素结合的受体状态，其发现抑制型抗体会与激素竞争性结合受体，从而抑制受体的激活。
接着，通过对比激活型抗体和激素结合的受体状态，课题组发现激活型抗体与激素会引起受体相似的构象变化，从而引起受体激活。
此外，通过对三种不同激素结合的三种受体结构比较，该团队首次证实了糖蛋白激素激活受体遵循同样的规律，他们都符合激素激活受体的“推拉”模型。
其还通过比较促卵泡激素受体、绒毛膜促性腺激素受体以及促甲状腺素受体，进一步详细探究了如下问题：不同激素受体选择性地识别特定的小分子别构激动剂时，是哪些关键氨基酸位点起着决定性作用？
而这一探索的成功，也为靶向糖蛋白激素受体的选择性小分子药物设计奠定了结构基础。
同时，本项研究成果也首次揭示了GPCR——人体内最大的膜受体家族，是如何被不同类型的抗体激活或抑制，从而引发不同功能的结构基础，这为针对发现相关的抗体药物和小分子药物提供了更加清晰的模板和思路。
如果靶向促甲状腺素受体的药物成功研发，即可用于治疗甲状腺相关疾病。当然，也同样可尝试拓展用于治疗其他自身免疫性疾病。
近日，相关论文以《激素和抗体介导的促甲状腺激素受体激活》（Hormone-andantibody-mediatedactivationofthethyrotropinreceptor）为题发表在Nature。
段佳是第一作者，医院心内科张抒扬教授、上海临港实验室研究员蒋轶、以及徐华强担任共同通讯作者。
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相关论文（来源：Nature）
研究促甲状腺素受体的重要的医学意义
甲状腺相关疾病在全世界范围类属于高发性疾病，促甲状腺素受体是甲状腺发挥生理功能所必需的。
可以说，针对促甲状腺素受体的研究，对于治疗如甲抗、加减、甲状腺结节、甲状腺癌等均具有重要的医学意义。
促甲状腺素受体，是糖蛋白激素受体中最重要的一个成员，同时也是结构最为复杂的一员。因此，课题组将整个研究分为两个阶段。
第一阶段，该团队先是研究了绒毛膜促性腺激素受体的结构，在尝试获得蛋白样品的过程中，进行了大量优化和筛选，最终找到了蛋白表达纯化、以及冷冻制样的最优条件。借此，他们解析出第一个绒毛膜促性腺激素受体的多个蛋白结构。
第二阶段是在上述基础上，正式开展促甲状腺素受体的结构研究。期间，由于促甲状腺素受体的结构过于灵活，课题组做了诸多尝试，才拿到能够获得高分辨率的蛋白样品。
据介绍，糖蛋白激素受体的胞外结构由-个氨基酸构成，该结构域由富含亮氨酸的重复序列构成，且存在复杂的糖基化修饰。这些结构特征的存在，导致很难进行糖蛋白激素受体的体外表达纯化。
刚开始做这一类受体时，研究团队遇到了很多困难。第一个难题便是解决糖蛋白激素的表达纯化难题。
最开始，课题组尝试在体外昆虫细胞上，表达纯化糖蛋白激素。但是，所获得的激素活性很差，对受体的激活能力也很低。
查找大量资料之后，医院有该类激素的处方药，而且价格不贵。于是，医院的故事。
为了进一步解决糖蛋白激素受体的稳定性问题，她几乎尝试了所有纯化条件筛选，实验效果却一直不见起色。
后又通过调研大量文献，她发现糖蛋白激素受体有一个特别的地方：该类受体存在很多天然的点突变，这些点突变能直接致病。
受此启发，其考虑将点突变引入到受体表达。她说：“现在我依然记得当天纯化之后，看到结果时的激动心情。结果显示，其中一个突变SI的引入，可以显著提高蛋白产量，并且色谱结果显示为单峰。那一晚，我因太过兴奋而难以入眠。”
尽管利用引入点突变，让其克服了蛋白不稳定的问题。但是，在冷冻制样的过程中，他们发现该样品非常难以进孔，因此需要制备大量蛋白样品，以便筛选出制样的条件。
那时，研究所的冷冻电镜机时非常紧张，为了赶上机时，段佳经常熬通宵，然后在凌晨拿到蛋白之后去制样，这样正好赶上电镜平台的老师早上上班后的上样检查。
“也真的很感谢我的合作者徐沛雨博士，他也是我的师兄，他经常睡在实验室，凌晨帮我冻样。而我们的不懈努力，也让所有难题得以克服，最终让针对所有糖蛋白激素受体的结构解析工作得以顺利完成。”段佳补充称。
一个成果催生20多篇同行论文
据介绍，段佳本科毕业于武汉大学，后来到中科院上海药物研究所读博。目前主要从事结构药理学研究，其曾先后解析多种糖蛋白激素及其受体，这些结构大多和代谢性疾病比如不孕不育、甲状腺疾病等密切相关。
针对糖蛋白激素系统，她和所在课题组开展了完整、全面的研究，这些结果改变了人类对于复杂糖蛋白激素系统的认识，从分子水平全面揭示了糖蛋白激素的激素选择性、疾病发生机理、受体激活机制、以及小分子作用机制等，为靶向糖蛋白激素受体的抗体、或小分子药物设计与开发，提供了新的理念和结构基础。
此外，她还开发了一种用于稳定G蛋白偶联受体与G蛋白复合物结合的新方法，并将该方法用于多种复合物的结构解析。
该方法已得到广泛应用和认可，借此解析的G蛋白偶联受体结构已超过50个，学界借此发表的论文已逾20篇，极大推动了G蛋白偶联受体结构领域的快速发展。
对于后续计划，段佳所在的徐华强课题组，已着手建立弥漫性毒性甲状腺肿疾病动物模型，后期会集中研发治疗该疾病的抗体药物。
参考资料：
1.Duan,J.,Xu,P.,Luan,X.etal.Hormone-andantibody-mediatedactivationofthethyrotropinreceptor.Nature().