近日，美國一科研團隊通過結構生物學的方法，結合相關細胞生物學實驗詳細闡述了固醇類配體通過Smoothened（SMO）蛋白分子內通道調節Hedgehog（HH）信號通路的機理。相關研究於近日發表在《Nature Chemical Biology》上。
HH信號通路是調控動物發育的關鍵信號通路之一，並與人體多種癌症密切相關。HH蛋白受體Patched-1（PTCH1）通過降低細胞膜上自由膽固醇（freecholesterol）和一些氧化固醇（oxysterol）濃度抑制下遊組分SMO蛋白。2018年該實驗室在Nature和Science上發表了兩篇文章初步揭示了HH如何結合PTCH1從而解除了PTCH1對SMO的抑制，激活HH信號通路。
SMO是F家族G蛋白偶聯受體（GPCR）成員，包含一個富含半胱氨酸胞外結構域（CRD），七次跨膜結構域（7-TMs）和一個200胺基酸左右的C端結構域，是治療HH相關癌症藥物的重要靶點。2019年，其課題組和匹茲堡大學張誠課題組合作在Nature雜誌報導了SMO結合氧化固醇24,25-EC並偶聯Gi蛋白的複合體結構，並初步闡釋了固醇類配體通過SMO的穿膜結構域激活的機制。
Hedgehog信號通路（圖自：Trends Biochem. Sci. 45(7):397-410）
此次工作中，該團隊分別解析了SMO–Gi複合物結合SAG（人工合成的SMO激動劑）和更高解析度（3.1 Å）的結合24,25-EC的冷凍電鏡（Cryo-EM）結構。SMO–Gi–SAG結構中，7-TMs較低位置結合一個內源膽固醇分子；在SMO–Gi–24,25-EC結構中，除了之前報導的7-TMs內較高位置的結合位點外，作者鑑定到一個全新的位於TM6胞外延伸區的24,25-EC結合位點。加上已知的位於CRD的固醇結合位點，四個固醇結合位點組成了一個SMO分子內的通道。作者猜想固醇分子可以在通道內運輸，而當固醇在7-TMs聚集時，SMO將會激活。
隨後，作者設計了D384R和G111C/I496C兩個突變體，在不同位置阻斷SMO分子內通道。在細胞生物學實驗中，這兩個SMO突變體都表現為持續性激活；通過結構解析，作者發現這兩個突變分別將內源膽固醇阻斷在7-TMs內兩個結合位點中，從而驗證猜想。
基於結構和功能實驗分析，作者提出了SMO的工作模型：在低濃度膽固醇環境中，SMO分子內通道暢通，進入7-TMs的膽固醇可以通過CRD逃逸，而SAG可以將其阻斷在7-TMs，從而激活SMO；高濃度膽固醇則會填充整個通道，位於CRD的結合位點被佔據，膽固醇將會在7-TMs中積累，從而激活SMO。
本研究整合了此前關於SMO研究結果，揭示了CRD、激動劑/拮抗劑、多個固醇類配體位點調節SMO活性的機制，將為HH信號通路相關抗癌藥物研發及優化提供參考。
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