1996年，kisspeptin在賓夕法尼亞州的Hershey市被發(fā)現(xiàn)，并以著名的“Hershey's Kisses”巧克力的名字命名。這種神經(jīng)肽原本被稱為“metastin”，因為它具有抑制腫瘤轉(zhuǎn)移的能力。然而，當人們發(fā)現(xiàn)kisspeptin通過與其受體KISS1R結合并激活來發(fā)揮作用時，它的生理重要性才真正顯現(xiàn)出來。KISS1R信號通路迅速被認為是下丘腦-垂體-性腺軸（HPG）的最重要的上游調(diào)節(jié)因素 (圖1)。?

圖1. 位于下丘腦-垂體-性腺軸（HPG）的GPCR信號通路

隨著對kisspeptin-KISS1R信號通路的深入研究，在生殖生理學領域，kisspeptin被發(fā)現(xiàn)是一種強效的促性腺激素釋放激素（GnRH）分泌的刺激劑。促性腺激素釋放激素（GnRH）對于正常的青春期發(fā)育和女性排卵至關重要，是哺乳動物基礎生育功能的核心激素。當下丘腦中的kisspeptin表達減少或KISS1R功能異常時，會導致嚴重的生殖障礙，如特發(fā)性促性腺激素缺乏癥（IHH）、中樞性性早熟（CPP）和多囊卵巢綜合征（PCOS）。

KISS1R是一種A類G蛋白偶聯(lián)受體，主要與Gq/11蛋白偶聯(lián)，通過激活磷脂酶C來增加細胞內(nèi)IP3和Ca2+水平。在成年大腦中，KISS1R主要分布在下丘腦，調(diào)控生殖功能。kisspeptin是由KISS1基因編碼的前體蛋白，通過蛋白酶解生成多種生物活性短肽，如kisspeptin-54、kisspeptin-14等，它們通過保守的C端結構激活KISS1R。其中，kisspeptin-10（KP-10）是體內(nèi)具有基礎激活效力的最短長度的kisspeptin (圖2)。

圖2. 體內(nèi)具有基礎激活效力的不同長度的kisspeptin

研究表明，持續(xù)給予kisspeptin可以恢復LH（黃體生成素）的脈沖性分泌，這提示位于上游的KISS1R可能是治療生殖疾病的更好靶點。KP-10的給藥已被證明在動物模型中有效治療生殖障礙，但這種內(nèi)源性配體易被代謝降解。因此，開發(fā)更有效穩(wěn)定的靶向KISS1R的激動劑是當前的研究重點。為了克服kisspeptin在體內(nèi)的降解和快速清除問題，藥物化學家們開發(fā)了TAK-448等kisspeptin-10類似物，這些化合物顯示出比kisspeptin更好的生物活性和更長的作用時間 (圖3)。

圖3. TAK-448的分子式

2024年6月26日，中國科學院上海藥物研究所段佳研究員團隊聯(lián)合徐華強研究員團隊，在Cell Reports在線發(fā)表了以《Structural Basis for Hormone Recognition and Distinctive Gq Protein Coupling by the Kisspeptin Receptor》為題的研究論文。該研究首次解析了Gq偶聯(lián)的KISS1R與內(nèi)源性最短有效多肽KP-10和多肽類似物TAK-448的復合物結構，分辨率分別為3.06 埃和3.07 埃，揭示了多肽激動劑與KISS1R的相互作用機制，為未來基于結構的藥物設計奠定了堅實基礎 (圖4A)。

圖4. 本文的主要結果和發(fā)現(xiàn) (A)本文解析的KISS1R激活態(tài)結構；(B) KISS1R的外周環(huán)（ECLs）在受體激活中起著關鍵作用；(C) KISS1R相較其他Gq偶聯(lián)的GPCR獨特的TM6偏轉(zhuǎn)；(D) KP-10和TAK-448在受體正構口袋的相似結合構象。

研究發(fā)現(xiàn)，KISS1R的外周環(huán)（ECLs）在受體激活中起著關鍵作用，分子動力學模擬和功能突變研究進一步證實了這一點(圖4B)。研究還指出，TAK-448在激活效力上優(yōu)于KP-10的原因，這為合理優(yōu)化KP-10類似物提供了依據(jù)。此外，與其他Gq偶聯(lián)受體相比，KISS1R的TM6區(qū)域在受體內(nèi)側(cè)展示了獨特的角度偏離，這是其與Gq蛋白偶聯(lián)中一個顯著特征(圖4C)。研究進一步強調(diào)了受體TM5-ICL3-TM6區(qū)域在下游Gq偶聯(lián)中的重要性。KP-10和TAK-448在KISS1R的配體結合口袋中采用了相似的構象，它們的結合模式揭示了特定殘基（如F195ECL2、N2085.43和W2766.48）對于配體識別和受體激活具有重要影響（圖4D）?？傮w而言，本文的結構研究為理解KISS1R的肽配體識別、受體激活及其與Gq蛋白偶聯(lián)的分子機制奠定了堅實基礎。這些結構和功能研究結果為應對生殖和癌癥治療領域的關鍵挑戰(zhàn)提供了寶貴見解。

近年來，該研究團隊在性腺軸相關GPCR的結構與功能研究領域取得了一系列突破性進展，先后解析了位于性腺軸最下游的絨毛膜促性腺激素受體（LHCGR）、促卵泡激素受體FSHR處于失活狀態(tài)和多種激活狀態(tài)的結構（Nature 2021，Nature Communications 2023），首次提出了該類激素激活受體的“push and pull”模型，并首次揭示了小分子變構調(diào)節(jié)激動劑的作用模式及選擇性識別受體的分子基礎。本研究成功揭示了位于性腺軸最上游的調(diào)控受體KISS1R受多肽KP-10和TAK-448識別和調(diào)控的分子機制。相關研究為生殖系統(tǒng)疾病和腫瘤的藥物開發(fā)提供了結構模板。

上海藥物所博士生沈詩怡，中科中山藥物創(chuàng)新研究院博士后王冬雪，上海藥物所博士后劉恒及博士生何欣恒為本文的共同第一作者。上海藥物所段佳研究員、徐華強研究員為共同通訊作者。上海市高峰電鏡中心負責了該項研究冷凍電鏡數(shù)據(jù)的收集。該工作得到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技計劃、上海市科技重大專項、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、上海市揚帆計劃、中國科學院特別研究助理等項目資助。

全文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)00717-4