水木未来·视界iss.16丨Cell：冷冻电镜揭示人源雄激素受体全新结构细节

水木视界iss.16丨Cell：冷冻电镜揭示人源雄激素受体全新结构细节
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发布日期：2022-05-31 15:40

雄激素受体是细胞内接受睾丸激素等雄激素信号的蛋白质。最近，纪念斯隆·凯特琳癌症中心(MSK)的科学家们完成了人源雄激素受体的部分研究，该阶段性研究成果突破了传统的学界认知，并于2022年4月20日发表在『Molecular Cell』杂志上。该研究确定了雄激素受体的特性，从而将其与其他激素受体区分开来，并为错误的雄激素信号传导如何导致前列腺癌这一问题提供了全新思路。

MSK人类肿瘤学和发病机制研究项目主席Charles Sawyers博士说：「我们从一些研究中了解到了一些雄激素受体的基础信息。但更深层次的研究需要我们深入到原子水平。冷冻电镜能让我们更接近这一目标。」

Sawyers博士与结构生物学家Elizabeth Wasmuth博士达成了合作。Wasmuth博士具有丰富的冷冻电镜(cryo-EM)原子级结构解析经验，并致力于用这些知识来解决癌症生物学中长期存在的问题。

「多年来人们一直试图获取雄激素受体的结构信息，但这并非易事。我们这次算是倾尽全力了。」

—结构生物学家Elizabeth Wasmuth博士

顿悟时刻

雄激素受体的溶解性极低，且大量聚集成球状，这是该研究的难点。因为制作溶液是使用冷冻电镜方法的必要前提之一。不过，科研小组发现，将雄激素受体与一种叫做ERG的致癌蛋白结合后，该复合物奇迹般地具有了极高的溶解性。Sawyer博士形容这一发现为「顿悟」：在那个瞬间，所有的研究思路都变得清晰了。

出于该研究的复杂性，研究小组不得不寻求与外部机构的合作。除了使用MSK自有的冷冻电镜，该团队还求助了纽约结构生物学中心、洛克菲勒大学和HHMI-Janelia等机构，以获取更多的冷冻电镜资源。

吐故纳新

雄激素受体属于激素核受体的一种，它在细胞质和细胞核之间移动，并在这一区间内激活维持男性特征的基因。基于此前已被确认的雌激素受体工作模式，传统学术界认为核激素受体的工作模式基于两种构象：当受体无活性并在细胞质中自由漂浮时，一种构象占主导地位；而另一种构象在性激素与它结合后形成，该双联体随后进入细胞核，与DNA结合并激活基因。

不过，Wasmuth博士获得的冷冻电镜图片显示，雄激素受体具有多种构象。且在不同的构象下能够形成不同的DNA结合结构，使其能够激活更广泛的基因。这一发现打破了学界对受体家族的传统认知。

Wasmuth博士说：「雄激素受体的灵活程度超出了我们的想象。」

这些运动所产生的不同三维形态使得雄激素受体能够通过变构的方式与其他蛋白质相互作用，例如ERG蛋白，前列腺癌的主要驱动因子。

这种改变构象的能力有助于在作用机制上对雄激素进行更深入的解释，例如它们如何在发育期和成年期发挥作用。而最近的研究结果也表明，雄激素受体可以影响T细胞对免疫疗法的反应。

展望未来

利用冷冻电镜，研究小组成功收集到了迄今为止最清晰的雄激素受体图像，但他们仍希望进一步推进这项研究，产出基于冷冻电镜的更高分辨率原子级结构解析模型。一旦他们实现这一目标，基于SBDD方法的靶向药物设计便指日可待了。例如，设计出靶向雌激素受体，阻止其与ERG相互作用的药物。

此外，科学家们一同认为，毗邻斯隆凯特琳研究所和洛克菲勒大学的MSK具有得天独厚的地理优势，来自不同领域的科学家们因此得以频繁来往，并催生紧密的合作关系。

「说实话，我不认为这项工作能在其他地方完成。」Wasmuth博士说道。

雄激素受体的分子伴侣

ERG蛋白如何促进DNA结合

为了在单分子水平上观察雄激素受体(以下简称AR)和ERG蛋白如何相互作用并结合DNA，我们用原子力显微镜对重组AR和ERG蛋白在双链ARE DNA存在的情况下进行了成像。在这些研究中，我们使用了52kDa的全长ERG蛋白(下图A)，在基于重组蛋白的DNA结合试验中，含有AIM的ETS结构域不足以促进与DNA的结合(下图B)，表明存在AIM以外的其他作用界面与AR相互作用。

此外，由于N端结构域(NTD, N-Terminal Domain)的无序性，且NTD不参与到与ERG的相互作用和协同刺激，也不会影响它缺失后与辅因子相互作用引起的N-C自抑制，因此在其他使用AR蛋白进行结构和生化分析的研究中，我们使用了缺失NTD的分子量为43KD的AR构建进行了实验。

在AR特异性和高亲和力结合ARE DNA所需的低盐条件下，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，它会通过形成更大和更多的球状复合物来阻止AR的寡聚。