甲狀旁腺激素受體到底啥樣？甲狀腺素還能促進心臟再生？中國研究揭示糖尿病新靶點？一週資訊第109期，內分泌領域三篇Science齊發，兩篇來自中國！
文 | 鯨魚
本週提要
甲狀旁腺激素受體長啥樣？中國研究讓大家看清楚！
甲狀腺素能促進心臟再生？不如來問問甲狀腺素吧！
中國研究揭示糖尿病新靶點？劍指糖脂代謝共同調控！
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甲狀旁腺激素受體長啥樣？中國研究讓大家看清楚！
DOI: 10.1126/science.aav7942.
Key Point
甲狀旁腺激素透過作用於腎臟以及骨骼調節體內的鈣磷代謝，同時也是骨質疏鬆的重要治療靶點，目前已經出現了相應的藥物。最近發表在Science的中國研究使用冷凍電鏡技術解析了人類1型甲狀旁腺激素受體（PTH1R）和Gs蛋白複合物結合的G蛋白偶聯受體（GPCR）三維結構，同時闡明瞭其持續啟用時細胞內環磷酸腺苷（cAMP）訊號的轉導機制。這一發現為骨質疏鬆、甲旁減、惡病質等疾病的治療奠定了基礎。
圖 1.0 研究發表在Science
甲狀旁腺激素（parathyroid hormone, PTH）和PTH相關肽（PTH-related peptide,
PTHrP）在骨骼發育、鈣穩態和骨轉換中起著關鍵作用。PTH和PTHrP的類似物已經成為了治療骨質疏鬆的藥物，而PTH則被用作治療甲狀旁腺功能減退症。此外，腫瘤產生的PTHrP是驅動腫瘤相關的高鈣血癥和惡病質的關鍵因素，與患者的體重減輕相關並且經常成為腫瘤患者死亡原因。因此，PTH-PTHrP訊號通路對於骨質疏鬆、甲狀旁腺功能減退症以及惡病質等疾病的的治療非常重要。
PTH和PTHrP的功能主要透過與PTH 1型受體（PTH type 1 receptor, PTH1R）的結合和活化來介導，PTH1R是B類G蛋白偶聯受體（B class G protein-coupled receptor,
GPCR）亞家族的成員。它的「家庭成員」還包括胰高血糖素（glucagon）受體、胰高血糖素樣肽（GLPs）受體、降鈣素（calcitonin）受體、降鈣素基因相關肽（CGRP）受體等，與許多具有潛在治療前景肽類激素有關。
圖 1.1 人類1型甲狀旁腺激素受體訊號轉導LA-PTH–PTH1R–Gs複合物的冷凍電鏡結構
注：左，冷凍電鏡密度圖；右，LA-PTH-PTH1R-Gs複合物。Lipid moiety，脂質部分；LA-PTH，長效PTH類似物；PTH1R，1型甲狀旁腺激素受體；G⍺s，Gs Ras樣亞基；Gβ，G蛋白β亞基；Gγ，G 蛋白γ亞基；Nb35，結合Gβ的奈米抗體。
最近發表在Science的研究使用了冷凍電鏡技術，解析了人類1型甲狀旁腺激素受體（human PTH1R）與長效PTH類似物（long-acting PTH, LA-PTH）以及刺激性G蛋白（stimulatory G protein, Gs）結合後形成的複合物的結構。這一結構模型有助於揭示PTH與其受體相互作用並激活受體的分子基礎。
圖 1.2 LA-PTH與PTH1R的結合
注：A，LA-PTH插入到了由除TM4之外的所有跨膜螺旋形成的「口袋」中並被受體識別；B/C，顯示了LA-PTH與PTH1R的跨膜結構域的氫鍵作用。
研究結果首次報導了全長啟用狀態的人類PTH1R的結構以及啟用狀態下GPCR的三維立體結構，給出了LA-PTH結合的PTH1R以及Gs複合體的接近原子解析度的結構，為理解PTH1R如何與激動劑肽配體相互作用並與Gs偶聯提供了可能，進一步揭示了維持體內環磷酸腺苷（cAMP）訊號傳導的PTH1R的長效活性狀態，闡明瞭這一啟用狀態下細胞內cAMP訊號轉導的機制。此外，由於冷凍電鏡技術具有極高的解析度，因此還意外發現了在受體跨膜區域存在的許多有序排列的脂質和膽固醇顆粒，研究人員認為這些分子可能具有穩定受體結構的作用。
圖 1.3 不同激素肽結合PTH1R後結構不同
研究還進一步比較了這一結構與其他B類GPCR，提供了激動劑肽配體結合特異性的基礎以及配體誘導的受體活化和與下游Gs蛋白偶聯的共同機制。由於B類GPCR家族的結構相對保守，這些結構觀察得出的原則應該適用整個家族。
圖 1.4 B類GPCR啟用和Gs偶聯的共同機制
總之，PTH作為一種已經發現了八十多年的經典內分泌激素。這項關於其受體PTH1R結構的研究將為相關的生化改變和基因突變提供更為堅實的基礎，促進骨質疏鬆、甲狀旁腺功能減退症以及惡病質等疾病治療新方法的開發。
REF: Zhao LH, Ma S, Sutkeviciute I, et al. Structure and dynamics of the active human parathyroid hormone receptor-1. Science. 2019 Apr 12;364(6436):148-153. doi: 10.1126/science.aav7942.
2
甲狀腺素能促進心臟再生？不如來問問甲狀腺素吧！
DOI: 10.1126/science.aar2038; 10.1126/science.aax1006.
Key Point
組織再生能力的潛在機制依然不為人知，最近發表在Science的研究分析了41個物種的二倍體心肌細胞的百分比，發現這些細胞與甲狀腺激素濃度呈負相關。人類的甲減會改變心臟的基因表達，增加血管阻力，最終導致心力衰竭等後果。補充甲狀腺素具有治療心衰患者的潛力，但在此之前還需要詳盡地瞭解甲狀腺素對心肌再生能力的調節機制。
圖 2.0 研究發表於Science
壁虎的尾巴斷了還能長出來，蚯蚓被切成兩段還能繼續活，但人類似乎就沒有這樣的「異能」。相比之下，兩棲動物、魚類和無脊椎動物均有再生能力，如果人類也是這樣該多好？
圖 2.1 人類心肌細胞二倍體比例很低，再生能力幾乎為零
心臟的再生與心肌細胞的分裂有關，而非從幹細胞產生新的心肌細胞。隨著哺乳動物出生後心髒逐漸成熟，心肌細胞在最後一次DNA複製之後並沒有進行細胞分裂，因此形成了具有多個基因組複製的多倍體心肌細胞，僅有少數心肌細胞依然保持能夠分裂的二倍體的狀態。不過，研究人員比較了多種生物後發現，在心臟能夠再生的動物中心肌細胞幾乎都是二倍體。
圖 2.2 二倍體心肌比例與代謝率、體溫以及T4水平相關
最近發表在Science的研究比較了41種動物認為，甲狀腺素可能是導致哺乳動物心臟無法再生的「罪魁禍首」，透過比較許多種不同的哺乳動物，研究提出這些哺乳動物的心臟失去再生能力可能是為了「交換」到調節體溫的能力。研究人員評估了這41種動物心臟內的二倍體心肌細胞比例後發現，成年的魚類、兩棲動物和爬行動物的二倍體心肌細胞比例可達77%-89%，但在人類中這一比例僅為4%。
進一步的研究發現，二倍體心肌細胞的比例與體重、心率、血壓等生理學引數的關係不大，但卻與體溫密切相關。大多數魚類、兩棲動物和爬行動物雖然具有強大的心肌再生能力，但其體溫卻取決於環境，而恆溫動物為了獲得將體溫保持在一個恆定的範圍內的能力，失去了心肌細胞的再生能力。研究人員發現，發現隨著體溫和代謝率的增加，二倍體心肌細胞的數量會減少，表明代謝率和心臟再生之間存在聯絡。甲狀腺素被認為是這一機制中的關鍵因子。實際上，與恆溫動物相比，變溫動物的甲狀腺激素濃度較低。
圖 2.3 處理後的小鼠（紅）出生後心髒更大，損傷後更容易修復
研究人員在新生小鼠中使用藥物或基因技術阻止其體內甲狀腺素訊號傳導後的結果顯示，經過這一處理的小鼠在出生後14天時的二倍體心肌細胞數量增加了9%-30%，心肌細胞的增殖率升高，其心臟也比對照小鼠增大37%。即使在這些小鼠成年之後依然能夠保持這一能力，損傷心肌後28天時，經過這一處理小鼠的心肌增值能夠達到對照組10倍。然而，目前仍不清楚體溫調節能力和心肌再生能力為何不能共存。
圖 2.4 甲狀腺素「平衡」了心肌再生和體溫調節？
同時發表的評論文章中，來自華盛頓大學的Silvia Marchianò和Charles E. Murry
指出：研究確定了甲狀腺素對動物心肌細胞再生能力的重要調節劑作用，然而臨床上如果要將甲狀腺素作為改善心臟再生能力的手段還是充滿挑戰。甲狀腺功能減退會改變心臟基因表達並增加血管阻力，從而導致心臟功能降低。心衰可能也是與區域性甲狀腺訊號受損相關。目前已經提出了補充甲狀腺素治療心衰的觀點，但在此之前，需要更加細緻地評估甲狀腺素訊號如何調節心肌再生能力。
REF:
<1> Hirose K, Payumo AY, Cutie S, et al. Evidence for hormonal control of heart regenerative capacity during endothermy acquisition. Science. 2019 Apr 12;364(6436):184-188. doi:
10.1126/science.aar2038.
<2> Marchianò S, Murry CE. Lost in the fire. Science. 2019 Apr 12;364(6436):123-124. doi: 10.1126/science.aax1006.
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中國研究揭示糖尿病新靶點？劍指糖脂代謝共同調控！
DOI: 10.1126/sciadv.aav4116.
Key Point
胰島素如何刺激餐後攝取葡萄糖和長鏈脂肪酸（LCFAs）進入骨骼肌以及這些過程在飲食誘導的肥胖中受到抑制的機制尚不完全清楚。最近來自中國的研究發現，胰島素訊號通路遠端分子RalGAPα1是骨骼肌糖脂代謝調控的關鍵因子，其表達和磷酸化修飾異常是造成骨骼肌胰島素抵抗的一個重要原因。RalGAPα1具有影響糖脂代謝的雙重功能，或能作為改善肌肉胰島素敏感性的靶點，對於抗代謝紊亂藥物的開發提供啟示。
圖 3.0 研究發表在 Sci Adv
近幾十年來，隨著飲食結構和生活方式的改變，2型糖尿病已經成為一種波及全世界的流行病。胰島素抵抗是2型糖尿病重要的發病機制之一，這一機制導致靶組織對胰島素刺激的反應降低。通過了解胰島素對於機體各個組織器官的作用，瞭解胰島素抵抗的背後的分子機制，對於開發新的藥物十分關鍵。
骨骼肌是人體內最大的胰島素敏感性器官，在調節餐後血糖和體內脂質平衡具有關鍵作用。當胰島素與骨骼肌中的受體結合時，會啟用受體的酪氨酸激酶，導致胰島素受體底物酪氨酸磷酸化，從而透過磷脂醯肌醇3-激酶-蛋白激酶B（PKB）傳導，啟用控制骨骼肌葡萄糖和脂質的訊號通路。同時，這一訊號通路還具有負反饋機制防止胰島素訊號通路的過度啟用的作用。
最近發表在Sci Adv的研究就發現了胰島素訊號通路遠端分子RalGAPα1在胰島素依賴的骨骼肌糖脂代謝調控機理以及骨骼肌胰島素抵抗中的作用，其表達和磷酸化修飾異常是造成骨骼肌胰島素抵抗的一個重要原因。
圖 3.1 RalGAP1T735A基因敲入小鼠的脂肪組織明顯更「豐滿」
骨骼肌可以儲存60-80%左右的餐後葡萄糖，同時在全身脂質穩態調控中也扮演關鍵角色。在飲食誘導的肥胖中，脂肪酸可以啟用許多激酶，包括mTORC1、JNK和PKC等，闡明胰島素相關的訊號通路對於2型糖尿病、肥胖和糖脂代謝紊亂具有重要作用。
圖 3.2 RalGAP1T735A基因敲入小鼠的糖脂代謝更差
目前的觀點認為，胰島素受體底物蛋白（IRS）的絲氨酸磷酸化是飲食誘導的肥胖中胰島素抵抗產生的關鍵。而此次研究所發現的飲食誘導的肥胖小鼠的骨骼肌中的未被磷酸化的RalGAPα1水平上調，可能是另外一種尚未被發現的骨骼肌胰島素抵抗機制，與以IRS為中心的機制相互補充。在肥胖的小鼠中，未被磷酸化的RalGAPα1水平上調使得RalA失活，導致骨骼肌不能在胰島素的啟用下吸收葡萄糖和長鏈脂肪酸（LCFA）。這一抑制作用可能會超過IRS的作用，從而使得肥胖小鼠的骨骼肌產生了胰島素抵抗。
圖 3.3 RalGAP⍺1/β複合物是骨骼肌胰島素訊號傳導的關鍵
研究的結果發現，RalGAP⍺1/β複合物是骨骼肌胰島素訊號傳導的關鍵。在胰島素敏感的骨骼肌中，RalGAP⍺1的磷酸化能使RalGAP⍺1/β複合物失去活性，從而使RalA活化促進GLUT4和CD36位置改變來增加葡萄糖和LCFA的攝取。在胰島素抵抗的骨骼肌中，RalGAP⍺1並未被磷酸化，從而使得RalGAP⍺1/β複合物水平升高，RalA失活，最終抑制骨骼肌對於葡萄糖和LCFA的攝取。
研究人員在這些結果的基礎上開發出了一種RalGAPβE1121-T1158阻斷肽，能破壞RalGAP⍺1/β複合物並導致RalGAP⍺1的降解，從而重新讓骨骼肌獲得對胰島素的敏感性，或能對抗代謝紊亂藥物的開發提供啟示。
REF: Chen Q, Rong P, Zhu S, et al. Targeting RalGAPα1 in skeletal muscle to simultaneously improve postprandial glucose and lipid control. Sci Adv. 2019 Apr 3;5(4):eaav4116. doi:
10.1126/sciadv.aav4116. eCollection 2019 Apr.
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