揭示甲狀腺激素關鍵前體的精細化分子結構

甲狀腺激素—甲狀腺素（thyroxine）和三碘甲狀腺氨酸（triiodothyronine）是兩種具有重要生物學影響的小分子物質，其對幾乎所有細胞的代謝都有調節作用，同時對于中樞神經系統、骨骼肌系統和肺部的發育和成熟也至關重要，這兩種激素也是**包含碘且能在細胞內外進行合成的激素，稱之為甲狀腺球蛋白（每個相同的單體都包含33萬道爾頓）的巨大二聚體糖蛋白能作為甲狀腺激素的前體、支架和存儲庫，近日，Coscia等人在Nature雜志上刊文表示，他們揭示了首個人類全長甲狀腺球蛋白的結構，從而就填補了科學家們對甲狀腺激素合成通路認識上的空白。

甲狀腺是由一種稱之為濾泡的球狀結構組成，其由一層濾泡細胞包圍著稱之為膠體（colloid）的液體所組成，甲狀腺球蛋白就儲存在其中，甲狀腺激素的復雜生物合成就發生在濾泡中，而且甲狀腺球蛋白也能在濾泡細胞的細胞器（內質網）中合成，在濾泡中，其能在分泌到膠體之前就形成二聚體。

濾泡周圍血液中的碘化物（I-）會通過一種名為Na+/I-轉運蛋白的細胞膜蛋白被濾泡細胞主動吸收，隨后再轉運到膠體中，在這里，I-會被甲狀腺過氧化物酶（TPO）利用雙重氧化酶蛋白所產生的過氧化氫酶氧化為碘，然后共價摻入到膠體甲狀腺球蛋白的酪氨酸殘基中，這就會產生一種生物合成的中間體，即3-單碘酪氨酸（MIT）和3，5-二碘酪氨酸（DIT）結合到甲狀腺球蛋白上的中間體，MIT隨后會與DIT反應形成三碘甲狀腺氨酸，或者兩種DITs產生反應形成與甲狀腺球蛋白結合的甲狀腺素。

當血液中循環的甲狀腺激素水平降低時，促甲狀腺激素（TSH）水平就會升高，甲狀腺球蛋白就會通過內吞作用被內化到濾泡中，隨后甲狀腺球蛋白就會在溶酶體中被消化，產生有利的甲狀腺素和三碘甲狀腺氨酸，最終被釋放到血液中，人體中甲狀腺素和三碘甲狀腺氨酸的比例大約為80：201，由于甲狀腺激素合成不完全，在機體消化過程中所產生的MIT和DIT就會被碘酪氨酸脫氫酶在濾泡細胞中進行代謝，生成I-和酪氨酸，從而確保未摻入激素的任何I-被回收。

Coscia等人就想著手利用冷凍電鏡技術來確定人類甲狀腺球蛋白的結構，從而深入理解甲狀腺激素生物起源的機制，他們經過培養的細胞中純化了甲狀腺球蛋白，這些細胞經過工程化改造能夠分泌高濃度的蛋白質，利用冷凍電鏡所得到的數據，研究者建立了蛋白質的原子模型，該蛋白包含大約93%的氨基酸殘基，同時研究者在結構中定義了5個區域，即氨基末端結構域（NTD）、核心區域、翼區、臂區和羧基末端結構域。基于該模型，研究者揭示了兩種單體可以互相纏繞在一起，每種單一的NTD都與另一種單體的所有5個區域能發生相互作用，而且單體之間的界面非常大，每一種單體能具有60個二硫鍵；所有這些二硫鍵都能與單體中的殘基連接。

隨后，研究者從七鰓鰻到人類所有保守物種中鑒別出了4個已知的激素形成位點（A-D），每個位點都對應于稱之為受體的酪氨酸殘基位點，在激素生物合成過程中與受體發生反應的酪氨酸殘基被稱為供體，在位點A中，受體時酪氨酸24（Tyr24），此前研究者發現的供體為Tyr149，然而，這項研究中，研究人員在A位點發現第二個殘基（Tyr234）也能夠扮演一種供體；研究者表示，Tyr 2573是位點B的受體，而Tyr 2540是供體；在位點D，受體和供體則分別為Tyr 1310和Tyr 108，讓研究人員覺得不可思議的是，位點C的受體和供體肯恩來自于每個單體的相同殘基（Tyr 2766），但該蛋白質的結構區域分辨率不夠高，目前他們還無法對其進行確定。

當研究者利用不同的殘基來替換所有8個激素生成的酪氨酸殘基時，他們并未在體外檢測到所得到的突變產生任何甲狀腺激素，因此研究者得出結論，在每個單體的67個酪氨酸殘基中，只有這些殘基時就有激素作用的，然而，激素的缺乏可能是由于其它未知位點由于酪氨酸取代引起的構象變化而停止了對甲狀腺激素的生產。因此，上述8種已經被鑒定的酪氨酸殘基在解釋其促激素活性上有什么共同之處嗎？研究者認為，其至少都部分暴露在甲狀腺球蛋白周圍的溶劑中，由這些殘基形成的供體受體配對的側鏈會以近似反平行的形式相互接觸，而且這些殘基也都位于蛋白的高流動性區域，或許是為了使產生甲狀腺素所需的大量鍵重排得以進行所致。

研究者表示，甲狀腺激素通常能從細菌蛋白—麥芽糖結合蛋白（MBP）中制造產生，這種細菌蛋白通常與甲狀腺激素的產生無關；無論是在MBP中自然發現的一對酪氨酸殘基，還是特別引入的一對具有與甲狀腺球蛋白中激素產生殘基相同的幾何排列和靈活性的殘基，都會在存在I-氧化系統和過氧化物酶的情況下產生甲狀腺素；當然，可以用乳糖過氧化物酶代替TPO，這與之前報道的乳糖過氧化物酶促進甲狀腺球蛋白合成甲狀腺素的研究結果一致；使用TPO和MPB可以產生甲狀腺素的觀察表明，產生甲狀腺素的關鍵需求是DIT的產生，而不是激素產生殘基的特定蛋白支架的存在。

研究人員并未在任何體外實驗中檢測到三碘甲狀腺氨酸的產生，一項早期研究結果表明，研究者可以在體外利用甲狀腺球蛋白來產生三碘甲狀腺氨酸，而且激素產生的主要位點未Tyr2766，在目前的研究中，是否因為實驗條件或使用檢測方法的敏感性而沒有觀察到三碘甲狀腺氨酸，這或許還有待于進一步研究；后期研究人員還需要進行更多的實驗來闡明三碘甲狀腺氨酸產生的過程，以及在以下幾種情況下促進三碘甲狀腺氨酸生物合成量增加的機制，包括：1）格雷夫斯病（患者的自身免疫性疾病會影響甲狀腺的功能）；2）I-缺乏病；3）激活TSH受體突變的人群；4）利用格雷夫斯病患者的血清刺激培養中的甲狀腺細胞。

除了闡明甲狀腺激素的生物合成精細化機制外，研究者Coscia等人還確定了甲狀腺球蛋白的結構，這或許有望幫助理解甲狀腺球蛋白基因突變所產生的效應，該基因突變會引發先天性甲狀腺功能減退癥，本文研究同時也是蛋白質研究領域的一項重大突破。