TSHR激活机制

1.细胞外结构域识别TSH：FSHR-FSH复合物的三维结构为研究TSH及TSHR相互作用提供了模型。已证实，糖蛋白激素受体的胞外结构域属于富含亮氨酸的重复序列（Leucine Rich Repeats，LRR）蛋白，受体的凹面是由10个LRR片段形成的松散的β片状结构；β片状结构的N-端部分（LRR1-7）几乎是平坦的，而C-端部分（LRR7-10）的肽链形成马蹄形弯曲。TSHR细胞外结构域与TSH或TSHR抗体（TRAb）形成的复合物的三维结构与FSHR-FSH复合物很相近；铰链区含有结构未知的半胱氨酸簇集序列决定受体激活或抑制；含有硫化酪氨酸的位点可能介导激素的结合。利用定点突变技术将TSHR受体中LRR序列中的8个氨基酸残基用LH/CG受体中相应的序列进行替换，随后进行的受体结合活性测定显示，突变后的TSHR可与CG结合，也能与野生型LH/CG受体结合；突变受体获得CG敏感性的同时保留了对TSH的敏感性。需要再进行12个氨基酸的替换才能使定点突变后的受体在功能上转化为LH/CG受体。从进化的角度上讲，同源序列中特定位点的氨基酸突变经过自然选择的过程进化为特异性激素受体。通过对野生型TSHR或上述定点突变受体的表面静电分布的观察发现，LH/CG受体在其马蹄形弯曲的中部存在一个酸性的沟壑样结构，一直延伸到β片状结构的羧基末端。给定点突变的TSH/CG双向受体施加同样分布模式的电荷后进行对比，结果证实这种电荷分布模式对CG识别至关重要。

激素及其相应受体除结构上的特异性结合外，非结构特异性的离子间相互作用在激素和相应受体的结合过程中也发挥重要作用，包括糖蛋白激素受体细胞外结构域的酪氨酸残基的硫酸化修饰。TSHR分子中，位于细胞外结构域和跨膜螺旋结构域交界处的酪氨酸-天冬氨酸-酪氨酸保守基序中的两个酪氨酸残基都被硫酸化修饰，虽然第一个酪氨酸残基上的硫酸化修饰对分子功能的影响更大；这种翻译后修饰很大程度地影响TSH与TSHR的亲和力 [43]。

2.TSHR胞外结构域和跨膜螺旋结构域相互作用：基于TSH胞外结构域和跨膜螺旋结构域在结构上是分离的，TSH与胞外结构域结合后产生的激活信号如何传递到跨膜螺旋结构域以激活偶联的G-蛋白是TSH生物学功能得以发挥的关键问题。氨基末端删除实验证实，胞外结构域对跨膜螺旋发挥负性调控作用，删除受体胞外段导致Gαs信号途径增强；这提示，TSHR的胞外结构域是跨膜螺旋结构域的反向激动剂[44]。相比于TSH高亲和力结合的野生型TSHR，胞外结构域氨基末端删减的TSHR的生物学活性大大增加；其中，糖蛋白激素受体胞外结构域高度保守的氨基酸基序（YPSHCCAF）单个位点突变（Ser281）就可导致受体强烈激活。这个保守的氨基酸序列位于“铰链”区，在3个糖蛋白激素受体的激活中发挥重要作用；Ser281位氨基酸置换相当于结构上的完整性破坏，由此看来，TSHR胞外区的结构破坏性越大，受体激活效应越强。(https://www.daowen.com)

无TSH刺激条件下，Ser281突变导致跨膜螺旋激活的事实说明，跨膜螺旋的激活是继发于胞外结构域的激活，而不需要TSH分子与跨膜螺旋的直接作用。有以下几点支持这个假设：①细胞外环状结构可强力激活整个受体分子的突变并不能使胞外结构域缺乏的分子构象激活，而跨膜螺旋或细胞内环状结构的类似突变可以使胞外结构域缺乏的分子构象激活。②针对胞外铰链区抗原表位的单克隆抗体表现出对跨膜螺旋结构域的反向激动效应。③与TSH在结构上具有同源性的其他分子也可以激活TSHR，机制在于这些分子可与TSHR胞外结构域结合并使之转化为跨膜螺旋结构域的激动因素，而不需要分子与跨膜螺旋间直接的特异性识别。

3.TSHR跨膜螺旋结构域的激活：GPCRs三维结构的明确，为我们探索TSHR跨膜螺旋结构域的激活机制提供了模型，然而糖蛋白激素受体结构上的变异提示仍有激素特异的激活机制存在。TSHR与视紫红质G-蛋白偶联受体同属于G-蛋白偶联受体家族的成员，两者跨膜螺旋结构域的激活机制有类似之处。近20年内，有很多天然或人为的突变被发现与GPCR的活化有关，但直到最近几年，基于结构变化的激活机制才得以明确。β2肾上腺素受体突变导致的激活提示，野生型受体中在3次跨膜螺旋和6次跨膜螺旋之间的结构锁使受体处于静息状态，结构突变使跨膜螺旋间的结构锁释放从而导致受体激活。低pH条件下的视蛋白（是一种持续激活的视紫红质突变结构）以及β2肾上腺素受体的活化结构，都是在“配体结合口袋”空间构象上发生了细微的变化，具体机制在于第6个跨膜螺旋的大幅度移动，继而导致3～6次跨膜螺旋之间的离子锁破坏，最终使跨膜螺旋3、5、6胞浆侧的分子间相互作用空腔结构开放和G-蛋白激活[45]。体细胞或生殖细胞TSHR跨膜螺旋结构域功能获得性突变可见于甲状腺高功能腺瘤和遗传性非自身免疫性甲状腺功能亢进，TSHR分子构象改变导致其持续激活；6次跨膜蛋白基底部的Asp619位点突变可使离子锁破坏，是在毒性甲状腺腺瘤中明确的第一个激活型突变。

综上所述，以上研究结果促进了TSHR激活机制模型的完善，静息状态，胞外结构域抑制跨膜螺旋结构域的活性；当胞外结构域被TSH结合，或发生Ser281突变时，包含铰链区在内的结构组件从反向激动剂转化为跨膜螺旋结构域的完全激动剂，TSHR跨膜螺旋结构域离子锁等结构构象变化导致TSHR激活，从而启动细胞内一系列信号级联反应使TSH的生物学功能得以发挥。