HH信号通路是调控动物发育的关键信号通路之一，并与人体多种癌症密切相关。HH蛋白受体Patched-1（PTCH1）通过降低细胞膜上自由胆固醇（freecholesterol）和一些氧化固醇（oxysterol）浓度抑制下游组分SMO蛋白。

2018年该实验室在Nature和Science上发表了两篇文章初步揭示了HH如何结合PTCH1从而解除了PTCH1对SMO的抑制，激活HH信号通路[1,2]。

SMO是F家族G蛋白偶联受体（GPCR）成员，包含一个富含半胱氨酸胞外结构域（CRD），七次跨膜结构域（7-TMs）和一个200氨基酸左右的C端结构域，是治疗HH相关癌症药物的重要靶点。

2019年，李晓淳课题组和匹兹堡大学张诚课题组合作在Nature杂志报道了SMO结合氧化固醇24,25-EC并偶联Gi蛋白的复合体结构，并初步阐释了固醇类配体通过SMO的穿膜结构域激活的机制[3]。

图1：Hedgehog信号通路（图表来源于参考文献4）

此次工作中，李晓淳团队分别解析了SMO–Gi复合物结合SAG（人工合成的SMO激动剂）和更高分辨率（3.1 Å）的结合24,25-EC的冷冻电镜（Cryo-EM）结构。

SMO–Gi–SAG结构中，7-TMs较低位置结合一个内源胆固醇分子；在SMO–Gi–24,25-EC结构中，除了之前报道的7-TMs内较高位置的结合位点外，作者鉴定到一个全新的位于TM6胞外延伸区的24,25-EC结合位点。加上已知的位于CRD的固醇结合位点，四个固醇结合位点组成了一个SMO分子内的通道。作者猜想固醇分子可以在通道内运输，而当固醇在7-TMs聚集时，SMO将会激活。

随后，作者设计了D384R和G111C/I496C两个突变体，在不同位置阻断SMO分子内通道。在细胞生物学实验中，这两个SMO突变体都表现为持续性激活；通过结构解析，作者发现这两个突变分别将内源胆固醇阻断在7-TMs内两个结合位点中，从而验证猜想。

基于结构和功能实验分析，作者提出了SMO的工作模型：在低浓度胆固醇环境中，SMO分子内通道畅通，进入7-TMs的胆固醇可以通过CRD逃逸，而SAG可以将其阻断在7-TMs，从而激活SMO；高浓度胆固醇则会填充整个通道，位于CRD的结合位点被占据，胆固醇将会在7-TMs中积累，从而激活SMO。

图2：SMO工作模型（图表来源于本研究）

李晓淳实验室博士后齐晓峰为本文的第一作者，龙韬博士亦为本文做出重要贡献。

本研究整合了此前关于SMO研究结果，揭示了CRD、激动剂/拮抗剂、多个固醇类配体位点调节SMO活性的机制，将为HH信号通路相关抗癌药物研发及优化提供参考。

相关论文信息：

DOI：10.1038/s41589-020-0646-2