PNAS：胰岛素如何与靶细胞结合？

最近，一个国际研究小组，解释了胰岛素分子如何利用一种“保护铰链”来参与胰岛素受体内的主要结合位点。相关研究结果发表在2014年8月初的《PNAS》杂志。

　　

生物通报道：自从1922年里程碑式的发现以来，胰岛素已经改善了世界上5亿多人糖尿病患者的健康，并延长了他们的寿命。然而，这种关键激素如何与身体器官中的靶细胞结合？已经提出了一个持久的科学之谜。目前，来自美国克里夫兰、芝加哥、澳大利亚、印度和俄勒冈的一个国际研究小组，发现了胰岛素及其结构，有望使我们设计出新的胰岛素产品，更好地调节糖尿病患者的新陈代谢。

由Michael A. Weiss博士（克里夫兰凯斯西储大学医学院）和Michael C. Lawrence博士（沃尔特和伊莱扎研究所和澳大利亚墨尔本大学）共同领导的研究小组，解释了胰岛素分子如何利用一种“保护铰链”来参与胰岛素受体内的主要结合位点。相关研究结果发表在2014年8月初的《PNAS》杂志。要解决这个问题，需要整合运用合成、生化、生物、光谱学和晶体结构学的方法。

凯斯西储大学医学院杰出教授和生物化学系主任Weiss称：“我们发现了胰岛素如何与靶细胞结合、从而触发一系列生物学信号的重要机制，这种分子信号对于我们如何利用和储存来自我们食物的燃料，是极为重要的。自从1969年已故诺贝尔奖得主Dorothy C. Hodgkin阐明胰岛素的存储结构以来，这种信号分子已经吸引了很多国际科学研究的关注。”

在本次调查研究中，Weiss、Lawrence及其同事们在胰岛素内发现了一个保护铰链，当它关闭时，可确保激素存储为一种安全的形式，直到它适时地打开——这种结构的转变可允许其对接到肌肉、肝脏、脂肪和其他组织靶细胞的表面。这种对接是代谢信号的第一步，例如，这可使靶细胞能够吸收葡萄糖（糖构建模块），从而避免血液中葡萄糖的积聚（高血糖）——糖尿病的基本特征。

研究人员通过观察晶体结构（在其构建模块中，一个单一的胰岛素分子结合到胰岛素受体片段上）中可视化的复杂结构特征，发现了保护性铰链。过去的研究，包括胰岛素结构先驱Hodgkin在内，都集中在缺乏受体的6个胰岛素分子组（六聚体）。这种封闭形式的胰岛素，关系到它如何存储在体内或制备在药物制剂中。六聚体含有三对胰岛素分子（二聚体）。每个二聚体包含八个芳香环的交叉点，四个来自每个胰岛素分子。（芳香环是分子内的碳原子形成的闭环结构）。在激素开放和活跃形式的新图像中，这些芳香环驻留在细胞受体的口袋内。因此，胰岛素打开一个铰链，接触其功能表面。

Weiss称：“我们相信，胰岛素的关闭形式进化到允许其高效地生产并储存在胰腺内。然而，在这种状态下稳定的胰岛素变异形式，没有生物活性。”

这些开创性的发现，带领研究人员进入下一个研究阶段——如何将这些结果进行转化，为患者制造更安全和更有效的胰岛素产品。最终目标是，开发新分子形式的胰岛素，将确保保护铰链应该打开时才会在胰岛素内打开。更新、更有效的胰岛素版本令人印象深刻：超速效胰岛素“智能泵”配方，是美国国立卫生研究院和青少年糖尿病研究基金会（JDRF）的一个战略目标；胰岛素的超稳定模式，将有利于发展中国家制冷条件有限的患者；甚至“聪明”的胰岛素分子，当血液中的葡萄糖浓度低于正常时，其会停止工作。胰岛素安全和有效性的改善，有望减少糖尿病患者的长期健康后果，如肾衰竭、失明和截肢。

Weiss称：“我们已经解决了一个现实问题，40多年来对胰岛素如何在体内制造的一部分解释，在准备使用之前，它如何在特异性胰腺β细胞内折叠？如何结合到细胞内的受体？胰岛素如何降解？”

对胰岛素分子的描述，已经有几十年的时间，并一直持续到今天：第一，研究人员试图了解，当胰岛素存储在胰腺β细胞内时它看起来像什么。第二，他们需要表明，当胰岛素结合到细胞上的胰岛素受体时，它看起来像什么。第三，他们想说明，受体如何改变其形状，响应结合的胰岛素，以在细胞内传输信号。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Protective hinge in insulin opens to enable its receptor engagement
Abstract: Insulin provides a classical model of a globular protein, yet how the hormone changes conformation to engage its receptor has long been enigmatic. Interest has focused on the C-terminal B-chain segment, critical for protective self-assembly in β cells and receptor binding at target tissues. Insight may be obtained from truncated “microreceptors” that reconstitute the primary hormone-binding site (α-subunit domains L1 and αCT). We demonstrate that, on microreceptor binding, this segment undergoes concerted hinge-like rotation at its B20-B23 β-turn, coupling reorientation of PheB24 to a 60° rotation of the B25-B28 β-strand away from the hormone core to lie antiparallel to the receptor's L1–β2 sheet. Opening of this hinge enables conserved nonpolar side chains (IleA2, ValA3, ValB12, PheB24, and PheB25) to engage the receptor. Restraining the hinge by nonstandard mutagenesis preserves native folding but blocks receptor binding, whereas its engineered opening maintains activity at the price of protein instability and nonnative aggregation. Our findings rationalize properties of clinical mutations in the insulin family and provide a previously unidentified foundation for designing therapeutic analogs. We envisage that a switch between free and receptor-bound conformations of insulin evolved as a solution to conflicting structural determinants of biosynthesis and function.