(文献解读:陆佳敏)甲状腺球蛋白的分子结构揭示

第一作者：Nancy Carrasco

发表期刊：Nature

作者单位: Vanderbilt Univ Dept Mol Physiol & Biophys Nashville TN 37232 USA

 

[1] Carrasco N . Molecular architecture of thyroglobulin revealed[J]. Nature, 2020, 578(7796):520-521.

 

摘要：

甲状腺球蛋白是一种作为甲状腺激素前体的巨大蛋白质，其结构已经确定，并且其形成激素的酪氨酸氨基酸残基也已确定。

 

   甲状腺激素甲状腺素和三碘甲状腺原氨酸是具有很大生物学影响的小分子。它们调节几乎所有细胞的新陈代谢，对中枢神经系统、肌肉骨骼系统和肺的发育和成熟至关重要。它们也是唯一含有碘并且部分在细胞内部和部分外部合成的激素。一种称为甲状腺球蛋白的巨大二聚体糖蛋白（每个相同单体的质量约为 330,000 道尔顿）作为甲状腺激素的前体、支架和储库1。Coscia 等人 2 报告了全长人甲状腺球蛋白的第一个结构并鉴定了其形成激素的酪氨酸氨基酸残基，从而填补了我们对甲状腺激素生物合成途径的认识中的一个关键空白。

  甲状腺由称为卵泡的球形结构组成，卵泡由单层滤泡细胞组成，围绕着称为胶体的液体，其中储存甲状腺球蛋白。甲状腺激素 1,3 的复杂生物合成发生在卵泡中。甲状腺球蛋白在称为内质网的滤泡细胞的细胞内细胞器中合成，在被分泌到胶体之前形成二聚体。

  卵泡周围血流中的碘化物 (I-) 通过细胞膜蛋白 Na+/I-同向转运体被卵泡细胞主动吸收，然后转运到胶体中。在这里，I-被甲状腺过氧化物酶 (TPO) 氧化为碘，使用双氧化酶蛋白产生的过氧化氢，然后共价结合到胶体中甲状腺球蛋白的酪氨酸残基中。这会产生称为 3-单碘酪氨酸 (MIT) 和与甲状腺球蛋白结合的 3,5-二碘酪氨酸 (DIT) 的生物合成中间体。MIT 然后与 DIT 反应形成三碘甲状腺原氨酸，或者两个 DIT 反应产生甲状腺素，仍然与甲状腺球蛋白结合。

  当血液中循环的甲状腺激素水平降低而促甲状腺激素 (TSH) 水平升高时，甲状腺球蛋白通过称为内吞作用的过程被内化到滤泡细胞中。然后甲状腺球蛋白在称为溶酶体的细胞器中被消化，产生游离的三碘甲状腺原氨酸和甲状腺素，最终释放到血液中。人体中甲状腺素与三碘甲状腺原氨酸的比例约为 80:20（参考文献 1）。由于甲状腺激素合成不完全，消化过程中产生的 MIT 和 DIT 在滤泡细胞中被碘酪氨酸脱氢酶代谢，产生 I 和酪氨酸，确保任何未掺入激素的 I 被回收。

图1 |人甲状腺球蛋白的结构。a，Coscia 等人 2 报告了二聚甲状腺球蛋白的结构，它是甲状腺激素的前体。每个相同的单体包含五个结构域：氨基末端结构域 (NTD)、核心、瓣、臂和羧基末端结构域 (CTD)。在该图中，深色域包含一个单体，而浅色域位于第一个单体之后的第二个单体中。b，该图显示了在每个结构域中发现的氨基酸残基。Coscia 及其同事确定了跨物种保守的四个激素形成位点 (A-D)。每个位点对应于称为受体的酪氨酸残基的位置；在激素生物合成过程中与受体反应的酪氨酸残基称为供体。在这里，受体和供体的标签表示氨基酸残基的数量，以及它贡献的位点（在括号中）。位点 C 的受体和供体可能是来自每个单体的相同残基（酪氨酸 2766）。

 

科西亚等人使用冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 确定人类甲状腺球蛋白的结构，以加深我们对甲状腺激素生物发生的理解。他们从培养的细胞中纯化了甲状腺球蛋白，这些细胞被设计成可以高浓度分泌这种蛋白质。使用冷冻电镜数据，作者建立了包含 93% 氨基酸残基的蛋白质原子模型，并定义了结构中的五个区域（图 1）：氨基末端结构域 (NTD)、核心 、襟翼、臂和羧基末端结构域。该模型显示两个单体相互交织，并且每个单体的 NTD 与另一个单体的所有五个区域相互作用。单体之间的界面是巨大的（29,350 平方 ångströms），每个单体有 60 个二硫键（稳定蛋白质 3D 结构的结构基序）。所有这些二硫键都连接单体中的残基，如先前报道的 5，而不是单体之间。

Coscia 及其同事确定了四个已知在从海七鳃鳗到人类的物种间保守的激素生成（激素形成）位点 (A-D)。每个位点对应于称为受体的酪氨酸残基的位置；在激素生物合成过程中与受体反应的酪氨酸残基称为供体。在位点 A，受体是酪氨酸 24（Tyr 24），并且先前已发现供体（Tyr 149）7。然而，Coscia 等人。发现第二个残基 (Tyr 234) 也作为位点 A 的供体。在其他位点，受体是已知的 8 但一些供体不知道。作者报告说，Tyr 2573 是 B 位点的受体，Tyr 2540 是供体；并且在位点 D，受体是 Tyr 1310，供体是其他单体的 Tyr 108。引人注目的是，C 位点的受体和供体可能是来自每个单体的相同残基（Tyr 2766）——但蛋白质结构的这个区域的分辨率不够高，无法完全确定。

当 Coscia 和同事用不同的残基替换所有 8 个促激素酪氨酸残基时，他们在体外试验中无法检测到由此产生的突变体产生任何甲状腺素。因此，作者得出结论，在每个单体的 67 个酪氨酸残基中，只有这些残基是促激素的。然而，激素的缺乏可能是由于酪氨酸取代引起的构象变化导致其他未知位点停止产生甲状腺素。

那么，这八个确定的酪氨酸残基有什么共同之处可以解释它们的激素活性吗？ 它们至少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-受体对的侧链以近似反平行的构型相互面对。这些残基也都位于蛋白质的高度移动区域——大概是为了能够进行产生甲状腺素所需的大量键重排。

作者继续表明，甲状腺素可以从与甲状腺激素产生无关的细菌蛋白质（麦芽糖结合蛋白；MBP）在体外产生。他们发现，无论是在 MBP 中天然存在的一对酪氨酸残基，还是被专门引入以具有与甲状腺球蛋白中的激素残基相同的几何排列和灵活性的一对，在 I-氧化系统和过氧化物酶的存在下产生甲状腺素 酶。可以使用乳过氧化物酶代替 TPO，这与先前报道的乳过氧化物酶可以促进甲状腺球蛋白合成甲状腺素的观察结果一致 9。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要求是 DIT 的产生，而不是激素残基的特定蛋白质支架的存在。

由于尚不清楚的原因，Coscia 等人在他们的任何体外实验中都没有检测到三碘甲状腺原氨酸的产生。较早的一项研究 10 报道，三碘甲腺原氨酸可以在体外从甲状腺球蛋白中产生，激素生成的主要位点是 Tyr 2766。目前的研究中是否由于实验条件或由于对三碘甲腺原氨酸的敏感性而未观察到三碘甲腺原氨酸还有待观察。所使用的测定。不仅需要更多的实验来了解正常的三碘甲腺原氨酸生产，还要了解在以下几种情况下导致三碘甲腺原氨酸生物合成增加的机制：格雷夫斯病（一种影响甲状腺的自身免疫性疾病）；在 I⁻ 缺乏症中；在具有激活 TSH 受体突变的人中；当培养中的甲状腺细胞被格雷夫斯病患者的血清刺激时1。

除了揭示甲状腺激素生物合成的细节外，Coscia 及其同事对甲状腺球蛋白 3D 结构的确定也可能会导致对导致先天性甲状腺功能减退症（一种甲状腺功能减退症）的甲状腺球蛋白突变的影响有更透彻的了解。激素生物合成。这是一项与蛋白质本身一样令人印象深刻的突破。