全球觀察：細胞膜外裝“話筒”傳遞生命之音

穆薩·穆罕默迪（右二）和陳高幟（右一）指導學生做實驗。受訪者供圖

纖維細胞生長因子（FGF）是一個成員繁盛的多肽家族，它們幾乎存在于所有動物身上，在細胞增殖、遷移、分化和血管生成方面發(fā)揮關鍵作用。甌江實驗室、溫州醫(yī)科大學、杭州醫(yī)學院團隊在國際上首次解析了內(nèi)分泌型成纖維細胞生長因子激活受體的分子機制。相關研究近日在線發(fā)表于《自然》。

“這項研究是該領域的全新發(fā)現(xiàn)，徹底推翻了近30年來科學界對FGF信號激活機制模式的固有認知。”中國工程院院士、論文通訊作者李校堃表示，“該研究補上了FGF信號激活胞外區(qū)域的‘最后一塊拼圖’，對治療慢性腎病、2型糖尿病和非酒精性脂肪性肝炎等代謝性疾病的新藥研發(fā)具有重要臨床意義?！?/p>

(資料圖)

尋找新陳代謝的“開關”

整個FGF家族都“高度保守”，從線蟲到人類，每一種動物體內(nèi)都有它們的身影，它們在關鍵功能區(qū)域點位高度相似，是維持代謝、組織穩(wěn)態(tài)和發(fā)育的直接“操盤手”。作為治療代謝性疾病的重要靶點，F(xiàn)GF家族被寄予厚望。

迄今，人類發(fā)現(xiàn)了FGF家族的18個多肽成員，可調(diào)節(jié)多種細胞的遷移、增殖、分化、存活、代謝活動和神經(jīng)功能，與數(shù)十種疑難疾病密切相關。FGF通過旁分泌或內(nèi)分泌方式發(fā)揮作用，18個配體與7個受體以及其他分子化合物組合，搭建起細胞對外交流的橋梁。

論文研究對象FGF23作為3個內(nèi)分泌型FGF之一，由骨細胞合成分泌，參與廣泛的代謝相關疾病病理生理過程，如糖代謝紊亂、肝臟應激、心血管疾病等。溫州醫(yī)科大學教授、論文通訊作者陳高幟表示，他們以FGF23為突破口，力圖揭示其中重要的信息結(jié)構(gòu)。

甌江實驗室研究員、論文通訊作者穆薩·穆罕默迪說，“如果新陳代謝是一盞燈，F(xiàn)GF就是開關方式之一。我們首次找到了FGF調(diào)節(jié)代謝的工作原理，為日后打開、關閉或修理這盞‘燈’提供了途徑，為調(diào)控類藥物研發(fā)提供工作原理和關鍵信息?！?/p>

細胞膜外裝“話筒”

FGF家族中18個多肽功能各異，懷揣著不同的信息任務，游走在細胞液和血管中，它們幫助細胞激活下游信號通路是一個極為復雜的過程。

細胞激活下游信號通路相當于在細胞膜外組裝一個可供細胞內(nèi)外溝通、傳遞信息的分子機器。配體、受體、共受體是如何組裝成一個從未被人發(fā)現(xiàn)過的四元復合物的？誰是參與者，誰是主導者，誰不可或缺？這都是研究的核心問題。

組成這個傳遞信息“裝置”的第一個零件是由細胞分泌出的受體。細胞膜向外釋放出受體，猶如細長的“頭發(fā)”，發(fā)梢朝外，發(fā)根在內(nèi)。細胞外的“發(fā)梢”碰到合適的配體和共受體，就可以拉拽另一根“頭發(fā)”完成二聚化，形成二聚體，在細胞膜外完成組裝。緊接著，兩個“發(fā)根”激酶域貼在一起，在細胞膜內(nèi)相互磷酸化、完成組裝。至此，一個完整的信號在細胞膜內(nèi)外都完成了“裝置”組裝。

組裝信號轉(zhuǎn)換“裝置”的核心在于“拉拽”這一動作。圍繞這個不起眼的“動作”，科學家已經(jīng)研究了幾十年。

在微觀尺度下，信號轉(zhuǎn)換“裝置”的組裝過程極難察覺。陳高幟曾揭示了αKlotho蛋白是如何“拉拽”一個配體與一個受體相互結(jié)合，維持三元復合物穩(wěn)定性的。雖然知道另外一個“拉拽”工具是肝素，但是始終未找到實際證據(jù)。

陳高幟說，受限于當年的X射線衍射技術(shù)，蛋白復合物添加了肝素后難以結(jié)晶，直到后來使用冷凍電鏡技術(shù)，才解開其中的奧秘。

新解析的四元復合物比三元復合物多出的一“元”就是由肝素“拉拽”而來的。原本一個配體、一個受體、一個共受體形成了1：1：1的對稱模型，因為肝素“拉拽”，呈現(xiàn)出1：2：1的不對稱模型。

課題組推測，這種不對稱模型可以推廣到FGF旁分泌亞家族。

杭州醫(yī)學院副研究員、論文共同第一作者陳凌峰說，四元復合物的結(jié)構(gòu)解析、異源不對稱受體模型的發(fā)現(xiàn)、肝素的獨特作用等都可以通過該模型進行研究。

肝素展現(xiàn)“月老”絕活

旁分泌亞家族的多肽作為配體，從細胞中分離出來，非常輕易地與“鄰居”細胞的受體結(jié)合，沒法“出遠門”。而內(nèi)分泌亞家族的多肽要活躍得多，F(xiàn)GF23主要來源于骨頭，而發(fā)揮作用主要在腎臟；FGF21誕生于肝臟，卻在脂肪中大顯身手；FGF19誕生于腸道，但活躍在肝臟。

內(nèi)分泌亞家族的多肽通過細胞液、血液進入體內(nèi)循環(huán)，深入各個器官，尋尋覓覓，艱難地完成作為配體的使命，其中的關鍵就是肝素的“撮合”。

以往的研究中，科學家認為只有相同受體才能結(jié)合形成同源二聚體，“頭發(fā)”拉拽的都是同一類受體，新發(fā)現(xiàn)卻證明了不同受體也可以被“拉拽”，正是靠肝素展現(xiàn)出了“月老”絕活，擺脫受體和配體結(jié)合力非常弱的限制。

肝素體積小，在細胞膜外很常見，容易被忽視。團隊用冷凍電鏡揭秘了肝素這個不起眼的“小個子”其實是共受體，它在幫一個三元復合物“拉拽”一個不同的受體時發(fā)揮了重要作用。原來的同源二聚體激活模型之外，又出現(xiàn)了異源二聚體激活模型。

希臘神話中有命運三女神，她們掌管著人類的命運，其中克洛托負責紡織生命線。李校堃把二聚體模型中的Klotho蛋白比作命運女神，把肝素比作黑夜中的燭光，女神手持兩根受體“紡針”，四者協(xié)同作用，傳遞生命的信號，編織著生命的神奇。

發(fā)頂刊成果遭遇一波N折

這項成果的完成過程波折不斷。2018年3月，博士在讀的陳凌峰來到穆薩實驗室，準備攻克四元復合物這個難關。前半年，陳凌峰忙著表達αKlotho蛋白和FGF23，進展緩慢?！按蟾虐肽陼r間，一直沒有好的結(jié)果，穆薩教授都已經(jīng)快放棄了?！?/p>

討論一番后，穆薩和陳凌峰決定停下腳步，把目光從細胞膜外轉(zhuǎn)到細胞膜內(nèi)，完成了FGF23受體胞內(nèi)信號激活裝置機制的研究。結(jié)果心情大好的陳凌峰信心更足、膽子更大，試驗進展出奇地順利。“現(xiàn)在回頭看，緩一緩思路就打開了?！?/p>

在接下來的預投稿階段，他們卻迎來當頭一棒——論文被拒稿了。穆薩認為編輯很可能僅看到FGF23這個關鍵詞，沒有深入了解，就給予否定。

沒有圖表數(shù)據(jù)、信息量太少、預投稿的內(nèi)容篇幅太短，導致論文重要性沒有完全體現(xiàn)出來。課題組大膽嘗試直接投全文。最終編輯重新審視了成果，收回了拒稿決定。由于成果扎實、創(chuàng)新點多，論文匿名評審進展得非常順利，甚至有審稿人提前向課題組道喜。

但收到審稿人第三輪意見后，本以為十拿九穩(wěn)的事情，忽然又生事端。

“有一位審稿人‘威脅’說：你們要是不把旁分泌家族的驗證工作加進來，我就不同意發(fā)表。”陳高幟說，這一要求打亂了課題組原來的計劃。

課題組原計劃把內(nèi)分泌亞家族的工作做扎實了，配合四元復合物的結(jié)構(gòu)解析發(fā)表一篇論文，然后再慢慢研究旁分泌家族，發(fā)表兩篇高水平論文。這樣一來，原計劃不得不擱淺，只能增加海量的實驗，補充論文數(shù)據(jù)。

距離發(fā)表上一個有分量的成果已經(jīng)有近5年的時間了，連續(xù)多年沒有科研產(chǎn)出，陳高幟面臨不小的壓力，又遭遇各種突發(fā)情況，這讓他感到筋疲力盡。不過一想到該領域仍然是一片空白，他的斗志又回來了。

在結(jié)構(gòu)生物學領域，團隊更偏向于藥理方面的研究。接下來，陳高幟的任務是沿著開辟出來的道路繼續(xù)前進，“已經(jīng)把這臺機器給剖析研究透了，后面就是研究它如何開慢點或者開快點，開發(fā)合適的藥物來影響細胞信號激活的路徑”。（李清波）

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06155-9

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