穆薩·穆罕默迪（右二）和陳高幟（右一）指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。受訪者供圖

纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（FGF）是一個(gè)成員繁盛的多肽家族，它們幾乎存在于所有動(dòng)物身上，在細(xì)胞增殖、遷移、分化和血管生成方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。甌江實(shí)驗(yàn)室、溫州醫(yī)科大學(xué)、杭州醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次解析了內(nèi)分泌型成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子激活受體的分子機(jī)制。相關(guān)研究近日在線發(fā)表于《自然》。

“這項(xiàng)研究是該領(lǐng)域的全新發(fā)現(xiàn)，徹底推翻了近30年來科學(xué)界對(duì)FGF信號(hào)激活機(jī)制模式的固有認(rèn)知?！敝袊?guó)工程院院士、論文通訊作者李校堃表示，“該研究補(bǔ)上了FGF信號(hào)激活胞外區(qū)域的‘最后一塊拼圖’，對(duì)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(guān)”

整個(gè)FGF家族都“高度保守”，從線蟲到人類，每一種動(dòng)物體內(nèi)都有它們的身影，它們?cè)陉P(guān)鍵功能區(qū)域點(diǎn)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(diǎn)，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(gè)多肽成員，可調(diào)節(jié)多種細(xì)胞的遷移、增殖、分化、存活、代謝活動(dòng)和神經(jīng)功能，與數(shù)十種疑難疾病密切相關(guān)。FGF通過旁分泌或內(nèi)分泌方式發(fā)揮作用，18個(gè)配體與7個(gè)受體以及其他分子化合物組合，搭建起細(xì)胞對(duì)外交流的橋梁。

論文研究對(duì)象FGF23作為3個(gè)內(nèi)分泌型FGF之一，由骨細(xì)胞合成分泌，參與廣泛的代謝相關(guān)疾病病理生理過程，如糖代謝紊亂、肝臟應(yīng)激、心血管疾病等。溫州醫(yī)科大學(xué)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(shí)驗(yàn)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(guān)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(guān)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(guān)鍵信息。”

細(xì)胞膜外裝“話筒”

FGF家族中18個(gè)多肽功能各異，懷揣著不同的信息任務(wù)，游走在細(xì)胞液和血管中，它們幫助細(xì)胞激活下游信號(hào)通路是一個(gè)極為復(fù)雜的過程。

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

組成這個(gè)傳遞信息“裝置”的第一個(gè)零件是由細(xì)胞分泌出的受體。細(xì)胞膜向外釋放出受體，猶如細(xì)長(zhǎng)的“頭發(fā)”，發(fā)梢朝外，發(fā)根在內(nèi)。細(xì)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(xì)胞膜外完成組裝。緊接著，兩個(gè)“發(fā)根”激酶域貼在一起，在細(xì)胞膜內(nèi)相互磷酸化、完成組裝。至此，一個(gè)完整的信號(hào)在細(xì)胞膜內(nèi)外都完成了“裝置”組裝。

組裝信號(hào)轉(zhuǎn)換“裝置”的核心在于“拉拽”這一動(dòng)作。圍繞這個(gè)不起眼的“動(dòng)作”，科學(xué)家已經(jīng)研究了幾十年。

在微觀尺度下，信號(hào)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(gè)配體與一個(gè)受體相互結(jié)合，維持三元復(fù)合物穩(wěn)定性的。雖然知道另外一個(gè)“拉拽”工具是肝素，但是始終未找到實(shí)際證據(jù)。

陳高幟說，受限于當(dāng)年的X射線衍射技術(shù)，蛋白復(fù)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(fù)合物比三元復(fù)合物多出的一“元”就是由肝素“拉拽”而來的。原本一個(gè)配體、一個(gè)受體、一個(gè)共受體形成了1：1：1的對(duì)稱模型，因?yàn)楦嗡亍袄А?，呈現(xiàn)出1：2：1的不對(duì)稱模型。

課題組推測(cè)，這種不對(duì)稱模型可以推廣到FGF旁分泌亞家族。

杭州醫(yī)學(xué)院副研究員、論文共同第一作者陳凌峰說，四元復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析、異源不對(duì)稱受體模型的發(fā)現(xiàn)、肝素的獨(dú)特作用等都可以通過該模型進(jìn)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(xì)胞中分離出來，非常輕易地與“鄰居”細(xì)胞的受體結(jié)合，沒法“出遠(yuǎn)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(xì)胞液、血液進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)，深入各個(gè)器官，尋尋覓覓，艱難地完成作為配體的使命，其中的關(guān)鍵就是肝素的“撮合”。

以往的研究中，科學(xué)家認(rèn)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(xì)胞膜外很常見，容易被忽視。團(tuán)隊(duì)用冷凍電鏡揭秘了肝素這個(gè)不起眼的“小個(gè)子”其實(shí)是共受體，它在幫一個(gè)三元復(fù)合物“拉拽”一個(gè)不同的受體時(shí)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(yùn)三女神，她們掌管著人類的命運(yùn)，其中克洛托負(fù)責(zé)紡織生命線。李校堃把二聚體模型中的Klotho蛋白比作命運(yùn)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(hào)，編織著生命的神奇。

發(fā)頂刊成果遭遇一波N折

這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室，準(zhǔn)備攻克四元復(fù)合物這個(gè)難關(guān)。前半年，陳凌峰忙著表達(dá)αKlotho蛋白和FGF23，進(jìn)展緩慢?！按蟾虐肽陼r(shí)間，一直沒有好的結(jié)果，穆薩教授都已經(jīng)快放棄了。”

討論一番后，穆薩和陳凌峰決定停下腳步，把目光從細(xì)胞膜外轉(zhuǎn)到細(xì)胞膜內(nèi)，完成了FGF23受體胞內(nèi)信號(hào)激活裝置機(jī)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(yàn)進(jìn)展出奇地順利?！艾F(xiàn)在回頭看，緩一緩思路就打開了?！?/p>

在接下來的預(yù)投稿階段，他們卻迎來當(dāng)頭一棒——論文被拒稿了。穆薩認(rèn)為編輯很可能僅看到FGF23這個(gè)關(guān)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(yù)投稿的內(nèi)容篇幅太短，導(dǎo)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(shí)、創(chuàng)新點(diǎn)多，論文匿名評(píng)審進(jìn)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(yàn)證工作加進(jìn)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(jì)劃。

課題組原計(jì)劃把內(nèi)分泌亞家族的工作做扎實(shí)了，配合四元復(fù)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(jì)劃不得不擱淺，只能增加海量的實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充論文數(shù)據(jù)。

距離發(fā)表上一個(gè)有分量的成果已經(jīng)有近5年的時(shí)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(lǐng)域仍然是一片空白，他的斗志又回來了。

在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)更偏向于藥理方面的研究。接下來，陳高幟的任務(wù)是沿著開辟出來的道路繼續(xù)前進(jìn)，“已經(jīng)把這臺(tái)機(jī)器給剖析研究透了，后面就是研究它如何開慢點(diǎn)或者開快點(diǎn)，開發(fā)合適的藥物來影響細(xì)胞信號(hào)激活的路徑”。（李清波）

相關(guān)論文信息：

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

標(biāo)簽：