Hedgehog（Hh）通路對(duì)胚胎發(fā)生和組織再生是至關(guān)重要的。Hh信號(hào)是通過分泌的和脂質(zhì)修飾的蛋白Hh結(jié)合到膜受體Patched（Ptch）上而被激活的。在缺乏Hh的情況下，Ptch通過一種未知的間接機(jī)制抑制下游的G蛋白偶聯(lián)受體Smoothened（Smo）。

Hh與Ptch的結(jié)合減輕了對(duì)Smo的抑制并且開啟讓Hh通路遭受轉(zhuǎn)錄激活的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件。Hh信號(hào)異常與出生缺陷或腫瘤發(fā)生有關(guān)。盡管進(jìn)行了嚴(yán)密的研究，Hh、Ptch和Smo之間相互作用的分子基礎(chǔ)仍是不清楚的，而且Ptch和Hh之間識(shí)別的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)還有待闡明。

經(jīng)預(yù)測(cè)長(zhǎng)1447個(gè)氨基酸殘基的人Ptch1蛋白含有12個(gè)跨膜區(qū)段（TM），并且與細(xì)菌RND家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（resistance-nodulation-division family transporter, RND家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）存在著結(jié)構(gòu)類似性。Ptch1的跨膜區(qū)段2（TM2）至TM6構(gòu)成固醇敏感多肽區(qū)（sterol-sensing domain, SSD）。人們已在幾種參與固醇轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝的蛋白中發(fā)現(xiàn)了SSD。這些含有SSD的蛋白的潛在固醇結(jié)合或轉(zhuǎn)運(yùn)活性的分子機(jī)制仍然是不清楚的。

圖片來自Science, doi:10.1126/science.aas8935。

在一項(xiàng)新的研究中，為了獲得適合于結(jié)構(gòu)研究的樣品，來自中國(guó)清華大學(xué)的研究人員基于序列保守性和功能表征獲得幾種人Ptch1的構(gòu)建體。最終，在人胚胎腎293F細(xì)胞中瞬時(shí)表達(dá)的含有氨基酸殘基1～1305的人Ptch1截短版本在親和層析純化和尺寸排阻層析純化后表現(xiàn)出足夠的表達(dá)水平和良好的溶液行為。他們還觀察了Ptch1的寡聚體狀態(tài)和單體狀態(tài)。Ptch1的單體形式可適用于單粒子低溫電子顯微鏡分析，這是因?yàn)樗诘蜏貤l件下具有優(yōu)異的性能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年8月10日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1”。論文通信作者為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授顏寧（Nieng Yan）博士。

在三種哺乳動(dòng)物Hh同源物Sonic（Shh）、Desert（Dhh）和Indian（Ihh）中，Shh一直是功能和機(jī)制研究的原型。在大腸桿菌中表達(dá)和純化的人Shh的N-端結(jié)構(gòu)域（ShhN, 氨基酸殘基24～197）能夠在膽固醇琥珀酸單酯（cholesteryl hemisuccinate, CHS）的存在下與去污劑溶解的Ptch1蛋白形成一種穩(wěn)定的復(fù)合物。

顏寧課題組分別在3.9埃分辨率下和在3.6埃分辨率下解析出人Ptch1單獨(dú)時(shí)以及它與ShhN結(jié)合在一起時(shí)的低溫電鏡結(jié)構(gòu)。他們識(shí)別出兩個(gè)相互作用的胞外結(jié)構(gòu)域ECD1和ECD2，以及12個(gè)跨膜區(qū)段（TM1～12）。一旦ShhN結(jié)合，ECD1和ECD2向彼此移動(dòng)，而且它們一起構(gòu)成ShhN的停靠位點(diǎn)。顏寧課題組對(duì)ShhN與Ptch1之間的詳細(xì)識(shí)別進(jìn)行了分析和生化驗(yàn)證。

在具有或不具有ShhN的Ptch1中觀察到兩個(gè)與CHS相一致的類固醇密度（steroid-shaped density）：一個(gè)在由這兩個(gè)胞外結(jié)構(gòu)域包圍的口袋中，另一個(gè)在SSD的膜面向的腔中。基于結(jié)構(gòu)的生化分析揭示出ShhN和Ptch1之間的類固醇依賴性相互作用。相比于野生型Ptch1，類固醇結(jié)合缺陷型Ptch1突變體的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的構(gòu)象重排。

總之，人Ptch1單獨(dú)時(shí)及其與ShhN結(jié)合在一起時(shí)的結(jié)構(gòu)揭示出Ptch1和ShhN之間識(shí)別的分子基礎(chǔ)。在Ptch1中鑒定出兩個(gè)類固醇結(jié)合位點(diǎn)為在未來研究Hh信號(hào)建立了重要的框架，并對(duì)含有SSD蛋白的固醇感知提供了關(guān)鍵見解。