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重磅!揭示甲状腺激素关键前体的精细化分子结构!

来源:本站原创 2020-02-23 22:57

2020年2月24日 讯 /生物谷BIOON/ --甲状腺激素—甲状腺素(thyroxine)和三碘甲状腺氨酸(triiodothyronine)是两种具有重要生物学影响的小分子物质,其对几乎所有细胞的代谢都有调节作用,同时对于中枢神经系统、骨骼肌系统和肺部的发育和成熟也至关重要,这两种激素也是唯一包含碘且能在细胞内外进行合成的激素,称之为甲状腺球蛋白(每个相同的单体都包含33万道尔顿)的巨大二聚体糖蛋白能作为甲状腺激素的前体、支架和存储库,近日,Coscia等人在Nature杂志上刊文表示,他们揭示了首个人类全长甲状腺球蛋白的结构,从而就填补了科学家们对甲状腺激素合成通路认识上的空白。

图片来源:en.m.wikipedia.org

甲状腺是由一种称之为滤泡的球状结构组成,其由一层滤泡细胞包围着称之为胶体(colloid)的液体所组成,甲状腺球蛋白就储存在其中,甲状腺激素的复杂生物合成就发生在滤泡中,而且甲状腺球蛋白也能在滤泡细胞的细胞器(内质网)中合成,在滤泡中,其能在分泌到胶体之前就形成二聚体。

滤泡周围血液中的碘化物(I-)会通过一种名为Na+/I-转运蛋白的细胞膜蛋白被滤泡细胞主动吸收,随后再转运到胶体中,在这里,I-会被甲状腺过氧化物酶(TPO)利用双重氧化酶蛋白所产生的过氧化氢酶氧化为碘,然后共价掺入到胶体甲状腺球蛋白的酪氨酸残基中,这就会产生一种生物合成的中间体,即3-单碘酪氨酸(MIT)和3,5-二碘酪氨酸(DIT)结合到甲状腺球蛋白上的中间体,MIT随后会与DIT反应形成三碘甲状腺氨酸,或者两种DITs产生反应形成与甲状腺球蛋白结合的甲状腺素。

当血液中循环的甲状腺激素水平降低时,促甲状腺激素(TSH)水平就会升高,甲状腺球蛋白就会通过内吞作用被内化到滤泡中,随后甲状腺球蛋白就会在溶酶体中被消化,产生有利的甲状腺素和三碘甲状腺氨酸,最终被释放到血液中,人体中甲状腺素和三碘甲状腺氨酸的比例大约为80:201,由于甲状腺激素合成不完全,在机体消化过程中所产生的MIT和DIT就会被碘酪氨酸脱氢酶在滤泡细胞中进行代谢,生成I-和酪氨酸,从而确保未掺入激素的任何I-被回收。

Coscia等人就想着手利用冷冻电镜技术来确定人类甲状腺球蛋白的结构,从而深入理解甲状腺激素生物起源的机制,他们经过培养的细胞中纯化了甲状腺球蛋白,这些细胞经过工程化改造能够分泌高浓度的蛋白质,利用冷冻电镜所得到的数据,研究者建立了蛋白质的原子模型,该蛋白包含大约93%的氨基酸残基,同时研究者在结构中定义了5个区域,即氨基末端结构域(NTD)、核心区域、翼区、臂区和羧基末端结构域。基于该模型,研究者揭示了两种单体可以互相缠绕在一起,每种单一的NTD都与另一种单体的所有5个区域能发生相互作用,而且单体之间的界面非常大,每一种单体能具有60个二硫键;所有这些二硫键都能与单体中的残基连接。

随后,研究者从七鳃鳗到人类所有保守物种中鉴别出了4个已知的激素形成位点(A-D),每个位点都对应于称之为受体的酪氨酸残基位点,在激素生物合成过程中与受体发生反应的酪氨酸残基被称为供体,在位点A中,受体时酪氨酸24(Tyr24),此前研究者发现的供体为Tyr149,然而,这项研究中,研究人员在A位点发现第二个残基(Tyr234)也能够扮演一种供体;研究者表示,Tyr 2573是位点B的受体,而Tyr 2540是供体;在位点D,受体和供体则分别为Tyr 1310和Tyr 108,让研究人员觉得不可思议的是,位点C的受体和供体肯恩来自于每个单体的相同残基(Tyr 2766),但该蛋白质的结构区域分辨率不够高,目前他们还无法对其进行确定。

当研究者利用不同的残基来替换所有8个激素生成的酪氨酸残基时,他们并未在体外检测到所得到的突变产生任何甲状腺激素,因此研究者得出结论,在每个单体的67个酪氨酸残基中,只有这些残基时就有激素作用的,然而,激素的缺乏可能是由于其它未知位点由于酪氨酸取代引起的构象变化而停止了对甲状腺激素的生产。因此,上述8种已经被鉴定的酪氨酸残基在解释其促激素活性上有什么共同之处吗?研究者认为,其至少都部分暴露在甲状腺球蛋白周围的溶剂中,由这些残基形成的供体受体配对的侧链会以近似反平行的形式相互接触,而且这些残基也都位于蛋白的高流动性区域,或许是为了使产生甲状腺素所需的大量键重排得以进行所致。

研究者表示,甲状腺激素通常能从细菌蛋白—麦芽糖结合蛋白(MBP)中制造产生,这种细菌蛋白通常与甲状腺激素的产生无关;无论是在MBP中自然发现的一对酪氨酸残基,还是特别引入的一对具有与甲状腺球蛋白中激素产生残基相同的几何排列和灵活性的残基,都会在存在I-氧化系统和过氧化物酶的情况下产生甲状腺素;当然,可以用乳糖过氧化物酶代替TPO,这与之前报道的乳糖过氧化物酶促进甲状腺球蛋白合成甲状腺素的研究结果一致;使用TPO和MPB可以产生甲状腺素的观察表明,产生甲状腺素的关键需求是DIT的产生,而不是激素产生残基的特定蛋白支架的存在。

研究人员并未在任何体外实验中检测到三碘甲状腺氨酸的产生,一项早期研究结果表明,研究者可以在体外利用甲状腺球蛋白来产生三碘甲状腺氨酸,而且激素产生的主要位点未Tyr2766,在目前的研究中,是否因为实验条件或使用检测方法的敏感性而没有观察到三碘甲状腺氨酸,这或许还有待于进一步研究;后期研究人员还需要进行更多的实验来阐明三碘甲状腺氨酸产生的过程,以及在以下几种情况下促进三碘甲状腺氨酸生物合成量增加的机制,包括:1)格雷夫斯病(患者的自身免疫性疾病会影响甲状腺的功能);2)I-缺乏病;3)激活TSH受体突变的人群;4)利用格雷夫斯病患者的血清刺激培养中的甲状腺细胞。

除了阐明甲状腺激素的生物合成精细化机制外,研究者Coscia等人还确定了甲状腺球蛋白的结构,这或许有望帮助理解甲状腺球蛋白基因突变所产生的效应,该基因突变会引发先天性甲状腺功能减退症,本文研究同时也是蛋白质研究领域的一项重大突破。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

Nancy Carrasco. Molecular architecture of the key precursor of thyroid hormones revealed,Nature,05 FEBRUARY 2020 doi:10.1038/d41586-020-00244-9

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