揭示甲狀腺激素關(guān)鍵前體的精細(xì)化分子結(jié)構(gòu)

甲狀腺激素—甲狀腺素（thyroxine）和三碘甲狀腺氨酸（triiodothyronine）是兩種具有重要生物學(xué)影響的小分子物質(zhì)，其對(duì)幾乎所有細(xì)胞的代謝都有調(diào)節(jié)作用，同時(shí)對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼肌系統(tǒng)和肺部的發(fā)育和成熟也至關(guān)重要，這兩種激素也是**包含碘且能在細(xì)胞內(nèi)外進(jìn)行合成的激素，稱之為甲狀腺球蛋白（每個(gè)相同的單體都包含33萬(wàn)道爾頓）的巨大二聚體糖蛋白能作為甲狀腺激素的前體、支架和存儲(chǔ)庫(kù)，近日，Coscia等人在Nature雜志上刊文表示，他們揭示了首個(gè)人類全長(zhǎng)甲狀腺球蛋白的結(jié)構(gòu)，從而就填補(bǔ)了科學(xué)家們對(duì)甲狀腺激素合成通路認(rèn)識(shí)上的空白。

甲狀腺是由一種稱之為濾泡的球狀結(jié)構(gòu)組成，其由一層濾泡細(xì)胞包圍著稱之為膠體（colloid）的液體所組成，甲狀腺球蛋白就儲(chǔ)存在其中，甲狀腺激素的復(fù)雜生物合成就發(fā)生在濾泡中，而且甲狀腺球蛋白也能在濾泡細(xì)胞的細(xì)胞器（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）中合成，在濾泡中，其能在分泌到膠體之前就形成二聚體。

濾泡周圍血液中的碘化物（I-）會(huì)通過(guò)一種名為Na+/I-轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的細(xì)胞膜蛋白被濾泡細(xì)胞主動(dòng)吸收，隨后再轉(zhuǎn)運(yùn)到膠體中，在這里，I-會(huì)被甲狀腺過(guò)氧化物酶（TPO）利用雙重氧化酶蛋白所產(chǎn)生的過(guò)氧化氫酶氧化為碘，然后共價(jià)摻入到膠體甲狀腺球蛋白的酪氨酸殘基中，這就會(huì)產(chǎn)生一種生物合成的中間體，即3-單碘酪氨酸（MIT）和3，5-二碘酪氨酸（DIT）結(jié)合到甲狀腺球蛋白上的中間體，MIT隨后會(huì)與DIT反應(yīng)形成三碘甲狀腺氨酸，或者兩種DITs產(chǎn)生反應(yīng)形成與甲狀腺球蛋白結(jié)合的甲狀腺素。

當(dāng)血液中循環(huán)的甲狀腺激素水平降低時(shí)，促甲狀腺激素（TSH）水平就會(huì)升高，甲狀腺球蛋白就會(huì)通過(guò)內(nèi)吞作用被內(nèi)化到濾泡中，隨后甲狀腺球蛋白就會(huì)在溶酶體中被消化，產(chǎn)生有利的甲狀腺素和三碘甲狀腺氨酸，最終被釋放到血液中，人體中甲狀腺素和三碘甲狀腺氨酸的比例大約為80：201，由于甲狀腺激素合成不完全，在機(jī)體消化過(guò)程中所產(chǎn)生的MIT和DIT就會(huì)被碘酪氨酸脫氫酶在濾泡細(xì)胞中進(jìn)行代謝，生成I-和酪氨酸，從而確保未摻入激素的任何I-被回收。

Coscia等人就想著手利用冷凍電鏡技術(shù)來(lái)確定人類甲狀腺球蛋白的結(jié)構(gòu)，從而深入理解甲狀腺激素生物起源的機(jī)制，他們經(jīng)過(guò)培養(yǎng)的細(xì)胞中純化了甲狀腺球蛋白，這些細(xì)胞經(jīng)過(guò)工程化改造能夠分泌高濃度的蛋白質(zhì)，利用冷凍電鏡所得到的數(shù)據(jù)，研究者建立了蛋白質(zhì)的原子模型，該蛋白包含大約93%的氨基酸殘基，同時(shí)研究者在結(jié)構(gòu)中定義了5個(gè)區(qū)域，即氨基末端結(jié)構(gòu)域（NTD）、核心區(qū)域、翼區(qū)、臂區(qū)和羧基末端結(jié)構(gòu)域。基于該模型，研究者揭示了兩種單體可以互相纏繞在一起，每種單一的NTD都與另一種單體的所有5個(gè)區(qū)域能發(fā)生相互作用，而且單體之間的界面非常大，每一種單體能具有60個(gè)二硫鍵；所有這些二硫鍵都能與單體中的殘基連接。

隨后，研究者從七鰓鰻到人類所有保守物種中鑒別出了4個(gè)已知的激素形成位點(diǎn)（A-D），每個(gè)位點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于稱之為受體的酪氨酸殘基位點(diǎn)，在激素生物合成過(guò)程中與受體發(fā)生反應(yīng)的酪氨酸殘基被稱為供體，在位點(diǎn)A中，受體時(shí)酪氨酸24（Tyr24），此前研究者發(fā)現(xiàn)的供體為Tyr149，然而，這項(xiàng)研究中，研究人員在A位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)第二個(gè)殘基（Tyr234）也能夠扮演一種供體；研究者表示，Tyr 2573是位點(diǎn)B的受體，而Tyr 2540是供體；在位點(diǎn)D，受體和供體則分別為Tyr 1310和Tyr 108，讓研究人員覺(jué)得不可思議的是，位點(diǎn)C的受體和供體肯恩來(lái)自于每個(gè)單體的相同殘基（Tyr 2766），但該蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)區(qū)域分辨率不夠高，目前他們還無(wú)法對(duì)其進(jìn)行確定。

當(dāng)研究者利用不同的殘基來(lái)替換所有8個(gè)激素生成的酪氨酸殘基時(shí)，他們并未在體外檢測(cè)到所得到的突變產(chǎn)生任何甲狀腺激素，因此研究者得出結(jié)論，在每個(gè)單體的67個(gè)酪氨酸殘基中，只有這些殘基時(shí)就有激素作用的，然而，激素的缺乏可能是由于其它未知位點(diǎn)由于酪氨酸取代引起的構(gòu)象變化而停止了對(duì)甲狀腺激素的生產(chǎn)。因此，上述8種已經(jīng)被鑒定的酪氨酸殘基在解釋其促激素活性上有什么共同之處嗎？研究者認(rèn)為，其至少都部分暴露在甲狀腺球蛋白周圍的溶劑中，由這些殘基形成的供體受體配對(duì)的側(cè)鏈會(huì)以近似反平行的形式相互接觸，而且這些殘基也都位于蛋白的高流動(dòng)性區(qū)域，或許是為了使產(chǎn)生甲狀腺素所需的大量鍵重排得以進(jìn)行所致。

研究者表示，甲狀腺激素通常能從細(xì)菌蛋白—麥芽糖結(jié)合蛋白（MBP）中制造產(chǎn)生，這種細(xì)菌蛋白通常與甲狀腺激素的產(chǎn)生無(wú)關(guān)；無(wú)論是在MBP中自然發(fā)現(xiàn)的一對(duì)酪氨酸殘基，還是特別引入的一對(duì)具有與甲狀腺球蛋白中激素產(chǎn)生殘基相同的幾何排列和靈活性的殘基，都會(huì)在存在I-氧化系統(tǒng)和過(guò)氧化物酶的情況下產(chǎn)生甲狀腺素；當(dāng)然，可以用乳糖過(guò)氧化物酶代替TPO，這與之前報(bào)道的乳糖過(guò)氧化物酶促進(jìn)甲狀腺球蛋白合成甲狀腺素的研究結(jié)果一致；使用TPO和MPB可以產(chǎn)生甲狀腺素的觀察表明，產(chǎn)生甲狀腺素的關(guān)鍵需求是DIT的產(chǎn)生，而不是激素產(chǎn)生殘基的特定蛋白支架的存在。

研究人員并未在任何體外實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到三碘甲狀腺氨酸的產(chǎn)生，一項(xiàng)早期研究結(jié)果表明，研究者可以在體外利用甲狀腺球蛋白來(lái)產(chǎn)生三碘甲狀腺氨酸，而且激素產(chǎn)生的主要位點(diǎn)未Tyr2766，在目前的研究中，是否因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件或使用檢測(cè)方法的敏感性而沒(méi)有觀察到三碘甲狀腺氨酸，這或許還有待于進(jìn)一步研究；后期研究人員還需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)闡明三碘甲狀腺氨酸產(chǎn)生的過(guò)程，以及在以下幾種情況下促進(jìn)三碘甲狀腺氨酸生物合成量增加的機(jī)制，包括：1）格雷夫斯病（患者的自身免疫性疾病會(huì)影響甲狀腺的功能）；2）I-缺乏病；3）激活TSH受體突變的人群；4）利用格雷夫斯病患者的血清刺激培養(yǎng)中的甲狀腺細(xì)胞。

除了闡明甲狀腺激素的生物合成精細(xì)化機(jī)制外，研究者Coscia等人還確定了甲狀腺球蛋白的結(jié)構(gòu)，這或許有望幫助理解甲狀腺球蛋白基因突變所產(chǎn)生的效應(yīng)，該基因突變會(huì)引發(fā)先天性甲狀腺功能減退癥，本文研究同時(shí)也是蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。