重大突破！我国颜宁课题组从结构上揭示人Ptch1蛋白识别Shh机制
Hedgehog（Hh）通路对胚胎发生和组织再生是至关重要的。Hh信号是通过分泌的和脂质修饰的蛋白Hh结合到膜受体Patched（Ptch）上而被激活的。在缺乏Hh的情况下，Ptch通过一种未知的间接机制抑制下游的G蛋白偶联受体Smoothened（Smo）。
Hh与Ptch的结合减轻了对Smo的抑制并且开启让Hh通路遭受转录激活的信号转导事件。Hh信号异常与出生缺陷或肿瘤发生有关。尽管进行了严密的研究，Hh、Ptch和Smo之间相互作用的分子基础仍是不清楚的，而且Ptch和Hh之间识别的结构基础还有待阐明。
经预测长1447个氨基酸残基的人Ptch1蛋白含有12个跨膜区段（TM），并且与细菌RND家族转运蛋白（resistance-nodulation-division family transporter, RND家族转运蛋白）存在着结构类似性。Ptch1的跨膜区段2（TM2）至TM6构成固醇敏感多肽区（sterol-sensing domain, SSD）。人们已在几种参与固醇转运和代谢的蛋白中发现了SSD。这些含有SSD的蛋白的潜在固醇结合或转运活性的分子机制仍然是不清楚的。
图片来自Science, doi:10.1126/science.aas8935。
在一项新的研究中，为了获得适合于结构研究的样品，来自中国清华大学的研究人员基于序列保守性和功能表征获得几种人Ptch1的构建体。最终，在人胚胎肾293F细胞中瞬时表达的含有氨基酸残基1～1305的人Ptch1截短版本在亲和层析纯化和尺寸排阻层析纯化后表现出足够的表达水平和良好的溶液行为。他们还观察了Ptch1的寡聚体状态和单体状态。Ptch1的单体形式可适用于单粒子低温电子显微镜分析，这是因为它在低温条件下具有优异的性能。相关研究结果发表在2018年8月10日的Science期刊上，论文标题为“Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1”。论文通信作者为清华大学医学院教授颜宁（Nieng Yan）博士。
在三种哺乳动物Hh同源物Sonic（Shh）、Desert（Dhh）和Indian（Ihh）中，Shh一直是功能和机制研究的原型。在大肠杆菌中表达和纯化的人Shh的N-端结构域（ShhN, 氨基酸残基24～197）能够在胆固醇琥珀酸单酯（cholesteryl hemisuccinate, CHS）的存在下与去污剂溶解的Ptch1蛋白形成一种稳定的复合物。
颜宁课题组分别在3.9埃分辨率下和在3.6埃分辨率下解析出人Ptch1单独时以及它与ShhN结合在一起时的低温电镜结构。他们识别出两个相互作用的胞外结构域ECD1和ECD2，以及12个跨膜区段（TM1～12）。一旦ShhN结合，ECD1和ECD2向彼此移动，而且它们一起构成ShhN的停靠位点。颜宁课题组对ShhN与Ptch1之间的详细识别进行了分析和生化验证。
在具有或不具有ShhN的Ptch1中观察到两个与CHS相一致的类固醇密度（steroid-shaped density）：一个在由这两个胞外结构域包围的口袋中，另一个在SSD的膜面向的腔中。基于结构的生化分析揭示出ShhN和Ptch1之间的类固醇依赖性相互作用。相比于野生型Ptch1，类固醇结合缺陷型Ptch1突变体的结构表现出显著的构象重排。
总之，人Ptch1单独时及其与ShhN结合在一起时的结构揭示出Ptch1和ShhN之间识别的分子基础。在Ptch1中鉴定出两个类固醇结合位点为在未来研究Hh信号建立了重要的框架，并对含有SSD蛋白的固醇感知提供了关键见解。
参考资料：
Xin Gong1,*,†, Hongwu Qian1,*,†, Pingping Cao et al. Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1. Science, 10 Aug 2018, 361(6402):eaas8935, doi:10.1126/science.aas8935.
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