雄激素受體是細(xì)胞內(nèi)接受睪丸激素等雄激素信號(hào)的蛋白質(zhì)。最近，紀(jì)念斯隆·凱特琳癌癥中心(MSK)的科學(xué)家們完成了人源雄激素受體的部分研究，該階段性研究成果突破了傳統(tǒng)的學(xué)界認(rèn)知，并于2022年4月20日發(fā)表在『Molecular Cell』雜志上。該研究確定了雄激素受體的特性，從而將其與其他激素受體區(qū)分開(kāi)來(lái)，并為錯(cuò)誤的雄激素信號(hào)傳導(dǎo)如何導(dǎo)致前列腺癌這一問(wèn)題提供了全新思路。

MSK人類(lèi)腫瘤學(xué)和發(fā)病機(jī)制研究項(xiàng)目主席Charles Sawyers博士說(shuō)：「我們從一些研究中了解到了一些雄激素受體的基礎(chǔ)信息。但更深層次的研究需要我們深入到原子水平。冷凍電鏡能讓我們更接近這一目標(biāo)?！?/p>

Sawyers博士與結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Elizabeth Wasmuth博士達(dá)成了合作。Wasmuth博士具有豐富的冷凍電鏡(cryo-EM)原子級(jí)結(jié)構(gòu)解析經(jīng)驗(yàn)，并致力于用這些知識(shí)來(lái)解決癌癥生物學(xué)中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。

「多年來(lái)人們一直試圖獲取雄激素受體的結(jié)構(gòu)信息，但這并非易事。我們這次算是傾盡全力了?！?/p>

—結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Elizabeth Wasmuth博士

頓悟時(shí)刻

雄激素受體的溶解性極低，且大量聚集成球狀，這是該研究的難點(diǎn)。因?yàn)橹谱魅芤菏鞘褂美鋬鲭婄R方法的必要前提之一。不過(guò)，科研小組發(fā)現(xiàn)，將雄激素受體與一種叫做ERG的致癌蛋白結(jié)合后，該復(fù)合物奇跡般地具有了極高的溶解性。Sawyer博士形容這一發(fā)現(xiàn)為「頓悟」：在那個(gè)瞬間，所有的研究思路都變得清晰了。

出于該研究的復(fù)雜性，研究小組不得不尋求與外部機(jī)構(gòu)的合作。除了使用MSK自有的冷凍電鏡，該團(tuán)隊(duì)還求助了紐約結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心、洛克菲勒大學(xué)和HHMI-Janelia等機(jī)構(gòu)，以獲取更多的冷凍電鏡資源。

吐故納新

雄激素受體屬于激素核受體的一種，它在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間移動(dòng)，并在這一區(qū)間內(nèi)激活維持男性特征的基因?；诖饲耙驯淮_認(rèn)的雌激素受體工作模式，傳統(tǒng)學(xué)術(shù)界認(rèn)為核激素受體的工作模式基于兩種構(gòu)象：當(dāng)受體無(wú)活性并在細(xì)胞質(zhì)中自由漂浮時(shí)，一種構(gòu)象占主導(dǎo)地位；而另一種構(gòu)象在性激素與它結(jié)合后形成，該雙聯(lián)體隨后進(jìn)入細(xì)胞核，與DNA結(jié)合并激活基因。

不過(guò)，Wasmuth博士獲得的冷凍電鏡圖片顯示，雄激素受體具有多種構(gòu)象。且在不同的構(gòu)象下能夠形成不同的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)，使其能夠激活更廣泛的基因。這一發(fā)現(xiàn)打破了學(xué)界對(duì)受體家族的傳統(tǒng)認(rèn)知。

「雄激素受體的靈活程度超出了我們的想象。」

——Wasmuth博士

這些運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的不同三維形態(tài)使得雄激素受體能夠通過(guò)變構(gòu)的方式與其他蛋白質(zhì)相互作用，例如ERG蛋白，前列腺癌的主要驅(qū)動(dòng)因子。

這種改變構(gòu)象的能力有助于在作用機(jī)制上對(duì)雄激素進(jìn)行更深入的解釋?zhuān)缢鼈內(nèi)绾卧诎l(fā)育期和成年期發(fā)揮作用。而最近的研究結(jié)果也表明，雄激素受體可以影響T細(xì)胞對(duì)免疫療法的反應(yīng)。

展望未來(lái)

利用冷凍電鏡，研究小組成功收集到了迄今為止最清晰的雄激素受體圖像，但他們?nèi)韵ＭM(jìn)一步推進(jìn)這項(xiàng)研究，產(chǎn)出基于冷凍電鏡的更高分辨率原子級(jí)結(jié)構(gòu)解析模型。一旦他們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，基于SBDD方法的靶向藥物設(shè)計(jì)便指日可待了。例如，設(shè)計(jì)出靶向雌激素受體，阻止其與ERG相互作用的藥物。

此外，科學(xué)家們一同認(rèn)為，毗鄰斯隆凱特琳研究所和洛克菲勒大學(xué)的MSK具有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)，來(lái)自不同領(lǐng)域的科學(xué)家們因此得以頻繁來(lái)往，并催生緊密的合作關(guān)系。

「說(shuō)實(shí)話(huà)，我不認(rèn)為這項(xiàng)工作能在其他地方完成?！?/p>

——Wasmuth博士

相關(guān)文獻(xiàn)

『Allosteric interactions prime androgen receptor dimerization and activation』

雄激素受體(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AR)是一種細(xì)胞核受體，支配著前列腺發(fā)育和維持男性表型所需的基因表達(dá)程序。晚期前列腺癌會(huì)伴隨AR過(guò)度激活和轉(zhuǎn)錄組擴(kuò)增，一部分原因是由于的AR過(guò)表達(dá)以及與腫瘤蛋白輔助因子的相互作用引起的。AR是如何與輔助因子相互作用并結(jié)合DNA的機(jī)制一直是長(zhǎng)期未解決的重大問(wèn)題，利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，我們成功獲得了AR與DNA結(jié)合的三種不同構(gòu)象，結(jié)構(gòu)顯示，AR形成非專(zhuān)性二聚體，這一類(lèi)類(lèi)固醇受體利用包埋的二聚體界面來(lái)促進(jìn)合作DNA結(jié)合。

我們發(fā)現(xiàn)了在雄激素不敏感綜合征中受到損害的全新別構(gòu)表面，并通過(guò)雄激素受體的腫瘤蛋白輔助因子ERG和DNA結(jié)合模體進(jìn)行驗(yàn)證。最后，我們的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，這種可塑的二聚體界面可能是以犧牲DNA結(jié)合為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)反激活的。我們的工作強(qiáng)調(diào)了雄激素受體協(xié)同互作的微調(diào)影響了生長(zhǎng)和疾病的結(jié)果。

雄激素受體的分子伴侶

ERG蛋白如何促進(jìn)DNA結(jié)合

為了在單分子水平上觀(guān)察雄激素受體(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AR)和ERG蛋白如何相互作用并結(jié)合DNA，我們用原子力顯微鏡對(duì)重組AR和ERG蛋白在雙鏈ARE DNA存在的情況下進(jìn)行了成像。在這些研究中，我們使用了52kDa的全長(zhǎng)ERG蛋白(下圖A)，在基于重組蛋白的DNA結(jié)合試驗(yàn)中，含有AIM的ETS結(jié)構(gòu)域不足以促進(jìn)與DNA的結(jié)合(下圖B)，表明存在AIM以外的其他作用界面與AR相互作用。

此外，由于N端結(jié)構(gòu)域(NTD, N-Terminal Domain)的無(wú)序性，且NTD不參與到與ERG的相互作用和協(xié)同刺激，也不會(huì)影響它缺失后與輔因子相互作用引起的N-C自抑制，因此在其他使用AR蛋白進(jìn)行結(jié)構(gòu)和生化分析的研究中，我們使用了缺失NTD的分子量為43KD的AR構(gòu)建進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

在AR特異性和高親和力結(jié)合ARE DNA所需的低鹽條件下，AR存在大量聚集。相比之下，ERG蛋白的可溶性更高，值得注意的是，它會(huì)通過(guò)形成更大和更多的球狀復(fù)合物來(lái)阻止AR的寡聚。

(A) 在ERG存在及不存在的兩種情況下，重組的雄激素受體(AR)與DNA結(jié)合的原子力顯微鏡表示圖像，比例尺為200納米。

(B & C)三種不同的DNA結(jié)合構(gòu)象的結(jié)構(gòu)。

(B) AR域和DNA片段結(jié)合的冷凍電鏡電子密度圖。

(C) 從LBD單體(PDB: 1XOW，紅色/橙色)和DBD二聚體(PDB: 1R4I，黃色/粉紅色)的X射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)中得到的坐標(biāo)視圖被建模為冷凍電鏡密度圖。鉸鏈顯示為虛線(xiàn)，分別表示DBD和LBD的C端和N端之間的距離(單位為?) 。

接上圖，AR二聚體界面從固著到剝離狀態(tài)的明顯轉(zhuǎn)變，顯示了其高可塑性。

轉(zhuǎn)載自Cell

"Allosteric interactions prime androgen receptor dimerization and activation"

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.03.035

水木未來(lái)·視界丨iss. 16