胰岛素受体如何在两个位点结合胰岛素并被完全激活的分子机制

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糖尿病是一种以高血糖为特征的慢性代谢疾病，威胁人类健康。其中，二型糖尿病占糖尿病患者约九成的病例，有相对缺乏胰岛素、有胰岛素抗性等特征。细胞膜上胰岛素受体（insulin receptor）可以感受胰岛素信号，起始细胞内的信号传导。其功能失调和二型糖尿病和胰岛素抗性疾病密切相关。

胰岛素受体是由二硫键连接的二聚体。在没有胰岛素结合时，胞内酪氨酸激酶分离，形成Λ型，处于激酶活性自抑制状态。在胰岛素受体结合胰岛素时，破坏了自抑制状态的稳定并诱导受体胞外两侧“手臂”抬高，胞内酪氨酸激酶相互靠近，形成T型，酪氨酸激酶发生自身磷酸化，起始细胞内的信号传导。

美国德克萨斯大学西南医学中心白晓辰研究组近年来对胰岛素受体信号传导过程的结构构象变化做了进一步的深入研究。2019年该团队在eLife发表了题为Activation mechanism of the insulin receptor revealed by cryo-EM structure of the fully liganded receptor–ligand complex的研究论文【1】。研究者首次解析了全长的胰岛素受体蛋白和胰岛素复合物的冷冻电镜结构。结构中一个胰岛素受体二体可以结合四个胰岛素分子。除了已知报道中提到的经典结合位点site1，这个全长的胰岛素受体还有另一个结合位点site2。而且，当破坏了胰岛素受体site2和胰岛素的相互作用时，受体的激酶活性降低，暗示了胰岛素在site2的结合对胰岛素受体活性起到了调控作用。

为了进一步探究胰岛素对胰岛素受体的调控机制，在2022年3月31日，白晓辰研究组联合哥伦比亚大学Eunhee Choi研究组，科罗拉多大学Michael H.B. Stowell研究组合作（李婕博士为本文第一作者）在Nature Structural & Molecular Biology上发表题为Synergistic activation of the insulin receptor via two distinct sites的研究论文，报道了胰岛素结合在不同结合位点上会引起胰岛素受体发生的不同结构和功能的变化，最终阐释了胰岛素如何通过结合胰岛素受体的两个位点，促使其达到最高的活性状态。

在这项研究中，研究者合成了只能结合一个位点的胰岛素突变体，并解析了胰岛素只结合在site1或者只结合site2的单颗粒冷冻电镜结构。研究发现胰岛素只结合在site2上不能引起胰岛素受体的结构变化，整体结构仍处在自抑制Λ型；而当胰岛素只结合在site1上，有28%的颗粒可以形成和4个胰岛素都结合相同的T型结构，有72%的颗粒的一个“手臂”抬起，一个“手臂”不完全抬起，形成不对称的Ƭ-型。结合细胞内酪氨酸激酶磷酸化实验，研究发现胰岛素只结合在site2时，不能引起胰岛素受体的激活；胰岛素只结合在site1时，可以引起胰岛素受体不超过80%的活性；在此基础上，同时继续加入只结合在site2的胰岛素，可以促使胰岛素受体达到最高的活性。这一结果证明，不对称Ƭ型是一个不完全激活的中间状态，而胰岛素在site2的结合会促进受体形成对称T型，即完全激活状态。

图1 （a）胰岛素只结合在两侧site2的复合物结构 （b）胰岛素只结合在两侧site1的复合物结构 （c）胰岛素受体在加入不同胰岛素突变体后的酪氨酸激酶活性

研究者同时利用ITC手段检测了胰岛素对两个位点的解离常数Kd，发现site1是一个强结合位点，而site2是一个相对较弱的结合位点。那么，在胰岛素相对受体不饱和的情况下，它的结合形式和受体相应的构象变化又是如何呢？从冷冻电镜颗粒分类结果中发现，当胰岛素不足时，可以同时捕捉到四种构象。第一类，胰岛素只结合在受体一侧的site1位点上，该侧“手臂”完全抬起，另一侧“手臂”收紧，形成不对称的Γ型，该结构和胰岛素受体家族的另一成员IGF1R一致（IGF1R二体只能结合一个配体）【2】。第二类，胰岛素结合在受体两侧的两个site1位点，两侧“手臂”完全抬起，形成对称的T型，和胰岛素受体完全激活的构象一致。第三类和第四类，也有两个胰岛素结合在两侧，一侧的“手臂”完全抬起，另一侧不完全抬起，和上述只结合site1的结构类似；但是，细看不完全抬起的手臂，胰岛素夹在site1和site2之间，一类胰岛素和site1相互作用，另一类site1的部分区域a-CT发生移动，稳定了胰岛素和site2的相互作用。在以上不对称结构中，都可以清晰地看见单体间二硫键的密度，而在无胰岛素结合时不可见，暗示无胰岛素结合时二硫键所在区域是柔性区域；在胰岛素结合时，构象变化该区域拉紧并对两侧单体起到限制作用。

图2. 胰岛素受体的激活模型

比较不同状态下的结构，可以推测出胰岛素受体逐步结合胰岛素并发生构象变化的模型。胰岛素的结合会破坏自抑制状态的稳定结构，使“手臂”抬起，胰岛素结合的个数会造成两侧“手臂”抬起不同的幅度，这一变化可能会在两个单体间二硫键的限制作用下，促进受体酪氨酸激酶结构域靠近的幅度或角度的不同，从而产生不同强度的下游信号。综上，这项工作解析了胰岛素受体激活过程中的多个结构，揭示了胰岛素如何通过两个结合位点激活胰岛素受体，同时为将来代谢疾病的药物设计提供了基础。

https://doi.org/10.1038/s41594-022-00750-6

制版人：十一

参考文献

1.eLife. 2019 Aug 22;8:e48630. doi: 10.7554/eLife.48630.

2.Nat Commun.2019 Oct 8;10(1):4567. doi: 10.1038/s41467-019-12564-0.

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