近日，南方科技大学生命科学学院副教授龚欣课题组和哈佛大学教授Adrian Salic课题组合作，在Nature Communications在线发表了题为“Structural insights into proteolytic activation of the human Dispatched1 transporter for Hedgehog morphogen release”的研究论文，针对Hedgehog（Hh）信号通路配体释放过程中的Dispatched1蛋白展开了深入研究，揭示了Hh信号通路中配体释放的关键分子机制。

Hh信号通路是一条非常经典的细胞信号转导通路，参与调控胚胎发育和组织稳态，其失调会引起许多相关癌症以及先天性发育畸形。Hh配体是一种独特的具有双重脂修饰的蛋白质，包括N端的棕榈酰修饰和C端的胆固醇修饰。这种双重脂质修饰使得Hh配体具有极强的疏水性，并使其牢固地附着在产生Hh配体的细胞的质膜上。然而，在发育过程中，Hh配体需要被释放并扩散到细胞外，向靶细胞传递。因此需要有一个专门用于Hh配体释放以及运输的系统，这个系统主要包括细胞膜表面的多次跨膜蛋白Dispatched（Disp）和细胞外分泌的可溶蛋白Scube家族成员。

在Hh配体释放过程中，Disp和Scube通过协同作用，将具有双重脂修饰的Hh配体从质膜转移到Scube蛋白，确保Hh配体的脂修饰不受水环境的影响。随后，分泌的Scube-Hh复合物扩散到细胞外，并将Hh传递到靶细胞表面，在靶细胞表面Hh配体会与受体蛋白Patched 结合，从而启动信号转导。Disp蛋白在发挥正常功能前，需要在其第一个胞外区结构域（ECD1）进行Furin蛋白酶介导的切割，这一蛋白裂解事件导致Disp激活的机制，目前尚不清楚。

本研究中，研究人员首先开发了一种获得人源Disp1蛋白裂解前（未切割）和裂解后（完全切割）状态的策略：将Disp1中被Furin识别的区域替换为具有高度特异性的3C蛋白酶的裂解位点（图1，a-d），并利用生化研究表明蛋白裂解对Disp1的活性非常重要，并会影响其与Hh配体的结合。随后研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了Disp1蛋白裂解前和裂解后分辨率分别为3.61 Å和3.68 Å的冷冻电镜结构（图1e，左，中）。同时，还解析了Disp1与脂修饰Hh配体复合物分辨率为4.07 Å的冷冻电镜结构（图1e，右）。解析的结构表明，蛋白裂解导致Disp1的胞外区结构域（ECD1和ECD2）之间更为张开，并且移除了由Furin酶切位点构成的空间位阻，使得Disp1与Hh配体的结合能力大大增加，从分子层面阐明了蛋白裂解激活Disp的机制（图2）。

图1：人源Disp1蛋白处于三种不同状态的三维结构

图2：Furin蛋白酶介导的Disp1裂解激活以及Hh配体释放的模型

龚欣与Adrian Salic为该论文的共同通讯作者。龚欣课题组原高级研究学者李婉秋（现南方科技大学医学院助理教授）、博士研究生王琳琳、哈佛大学博士后Bradley M. Wierbowski为本论文的共同第一作者。南科大为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、深圳市优秀青年基金等项目的资助。该研究中电镜数据的收集和处理，均在南科大冷冻电镜中心完成，得到了中心的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27257-w 

供稿：生命科学学院

文字：龚欣课题组

通讯员：付文卿

主图：丘妍

编辑：朱增光