加州大學研究者首次解析HER2/HER3異源二聚體結(jié)構(gòu)
近日，加州大學舊金山分校聯(lián)合亞利桑那大學在Nature上發(fā)表了HER2/HER3復(fù)合物結(jié)構(gòu)的文章：Structures of the HER2–HER3–NRG1βcomplex reveal a dynamic dimer interface。該文章首次解析了HER2/HER3及配體NRG1β三元復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，并且從結(jié)構(gòu)上闡明了HER2無法形成同源二聚體的原因，以及為什么HER2 S310F/Y的突變導致較差的預(yù)后。
HER2/HER3/NRG設(shè)計和復(fù)合物樣品的制備
在cryo-EM中，好的樣品是獲得高質(zhì)量結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，在以往的研究中，HER2/HER3的結(jié)構(gòu)研究都常采用其膜外區(qū)，缺乏跨膜區(qū)和包內(nèi)結(jié)構(gòu)，因此兩者的復(fù)合物不夠穩(wěn)定。本研究中是直接利用細胞表達的幾乎全長的HER2和HER3。其設(shè)計如下，HER2是全長截去1030–1255后的序列，末端加入MBP和兩個串聯(lián)的鏈霉素（TS）純化標簽；HER3是全長截去1023–1342后的序列并加入兩個TS標簽，當然，研究者還進行其它一些突變，以增加HER2/HER3的穩(wěn)定性及表達量。而配體NRG利用FLAG和His標簽純化，利用大腸桿菌表達。HER2和HER3利用Expi293表達（細胞膜表達，非融合表達），表達后裂解細胞并加入含有HIS標簽的NGR結(jié)合HER3，暴漏二聚體結(jié)合臂的HER3再和HER2結(jié)合并形成復(fù)合物（具體純化步驟這里不再詳述）。
HER2–HER3–NRG1β結(jié)構(gòu)
HER2和HER3的穿膜區(qū)和細胞內(nèi)區(qū)域?qū)τ趶?fù)合物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要作用，但是在cryo-EM中因其較大的活動性，因此結(jié)構(gòu)不夠清晰，但是HER2/HER3的胞外結(jié)構(gòu)與NRG1β復(fù)合物的分辨率高達2.9埃。HER2/HER3/NRG1β結(jié)構(gòu)表明，與EGFR 和 HER4的同源二聚體類似，HER2/HER3結(jié)構(gòu)也成“愛心”狀，并且兩者的第Ⅳ結(jié)構(gòu)域因柔韌性較大，所以結(jié)構(gòu)不夠清晰。在該結(jié)構(gòu)中，HER3結(jié)合NRG1β配體后處于伸展狀態(tài)，并且形成“二聚體臂”結(jié)合的口袋，HER2以伸展狀態(tài)與HER3結(jié)合，并且其“二聚體臂”結(jié)合到HER3的口袋中。在該結(jié)構(gòu)中，HER3的“二聚體臂”結(jié)構(gòu)不夠清晰，可能是因為HER2沒有配體且天然處于伸展狀態(tài)，因此無法形成“二聚體臂”結(jié)合的口袋，所以HER3的“二聚體臂”無法結(jié)合HER2的口袋。
變構(gòu)控制“二聚體臂”
與EGFR與配體EGF或者EREG的結(jié)合類似，HER3和NRG1β的結(jié)合也有不同的狀態(tài)：完全楔入和部分楔入，其中部分楔入被認為是受體和配體結(jié)合的一種中間態(tài)。當配體半楔入受體時，二聚體臂結(jié)合的口袋為半閉合狀態(tài)，這時其對另外一個二聚體臂的親合力較弱；當配體完全楔入時，二聚體臂結(jié)合的口袋為全閉合狀態(tài)，其對另外一個二聚體臂有較高的親合力，因此促進二聚體的形成，并保持其穩(wěn)定性。因為HER2天然狀態(tài)下為伸展轉(zhuǎn)臺，且沒有配體，因此其二聚體臂結(jié)合的口袋為打開狀態(tài)，對HER3二聚體臂的結(jié)合能力較弱，因此HER2/HER3的二聚體主要通過HER2的二聚體臂和HER3二聚體臂結(jié)合的口袋的結(jié)合。
HER2 S310F突變可以穩(wěn)定二聚體
HER2的 S310F/Y突變多數(shù)發(fā)生在非HER2過表達的腫瘤中，研究者構(gòu)建了S310F突變的HER2，并解析了HER2(S310F)–HER3–NRG1β 復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。與野生型相比，S310F突變后的HER2/HER3異源二聚體更加穩(wěn)定，這是因為310F和HER3 Y265形成了π–π鍵，同時也引入了一些極性的接觸。該相互作用導致HER3的二聚體臂與HER2的口袋結(jié)合能力增強，因此HER3二聚體臂在HER2(S310F)–HER3–NRG1β 復(fù)合物中的結(jié)構(gòu)更加清晰。并且HER2和HER3的交界面從原來的1977 Å2增加到3378 Å2，最終導致HER2/HER3二聚體更穩(wěn)定。
trastuzumab 和pertuzumab的結(jié)合
trastuzumab（曲妥珠單抗/赫賽?。?和pertuzumab（帕托珠單抗）是兩個已經(jīng)批準上市是靶向HER2的單克隆抗體，它們結(jié)合的位置下圖所示：分別位于HER2的第Ⅳ結(jié)構(gòu)域和第Ⅱ結(jié)構(gòu)域。
研究表明兩個抗體都無法破壞已經(jīng)形成的HER2/HER3異源二聚體（下圖A），trastuzumab結(jié)合的第 Ⅳ結(jié)構(gòu)域因為具有較高的柔韌性，因此抗體結(jié)合后使HER2的Ⅳ結(jié)構(gòu)域遠離HER3，同時HER3的第Ⅲ結(jié)構(gòu)域也會有一定程度的旋轉(zhuǎn)，從而防止與trastuzumab空間位置的沖突。
Pertuzumab因為結(jié)合在HER2的二聚體臂上，其可以阻礙NRG1β誘導的HER2/HER3二聚體的形成（Pertuzuma無法破壞已經(jīng)形成的二聚體）。但是對于S310F突變，兩個抗體都無法阻礙NRG1β誘導的HER2/HER3二聚體的形成，而且Pertuzuma也無法結(jié)合已經(jīng)形成的二聚體，這可能是因為該位點的突變直接阻礙了抗體的結(jié)合（下圖C）。
總結(jié)
在以往的結(jié)構(gòu)研究中，研究者都是利用HER2，HER3的胞外區(qū)構(gòu)建復(fù)合物，而通過這種方法得到的二聚體往往不夠穩(wěn)定。本文研究者構(gòu)建了幾乎全長的HER2/HER3（因為有研究表明，HER2/HER3的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域可以穩(wěn)定異源二聚體），并得到了穩(wěn)定的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。
HER2/HER3/NRG1β的結(jié)構(gòu)表明，HER2雖然以“伸展”狀態(tài)與HER3結(jié)合，但是因為其沒有配體結(jié)合，無法通過構(gòu)象的變化形成二聚體臂結(jié)合的口袋，因此，HER3的二聚體臂無法結(jié)合其二聚體臂口袋。這也從側(cè)面表明，在自然狀態(tài)下HER2雖然以伸展的狀態(tài)存在，但是其無法通過結(jié)合配體形成二聚體臂結(jié)合口袋，因此自身無法形成同源二聚體。
S310F/Y突變的HER2與HER3和NRG1β形成復(fù)合物結(jié)構(gòu)表明，HER2突變后HER3的二聚體結(jié)合臂與310F/Y通過π–π相互作用并穩(wěn)定二聚體的結(jié)構(gòu)，因此該位點的突變可能通過穩(wěn)定二聚體激活相關(guān)的下游的信號通路。
trastuzumab（曲妥珠單抗/赫賽?。┖蚿ertuzumab（帕托珠單抗）都可以結(jié)合HER2/HER3復(fù)合物，但是對于S310F突變，Pertuzuma也無法結(jié)合已經(jīng)形成的二聚體，這可能是因為該位點的突變直接阻礙了抗體的結(jié)合，這也解釋為什么Pertuzuma對S310突變的療效弱于trastuzumab。
參考文獻
1、Devan Diwanji, Raphael Trenker, Tarjani M. Thaker et al. Structures of the HER2–HER3–NRG1β complex reveal a dynamic dimer interface.Nature 2021
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