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专家点评Cell | 孙金鹏/易凡/肖鹏/于晓鉴定雄激素5α-二氢睾酮的膜受体并揭示其调控肌肉收缩的作用机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-30 09:46

正文

点评 | 任善成（海军军医大学）、党永军（重庆医科大学）、翟琦巍 (中国科学院上海营养与健康研究所）、朱鹤（上海交通大学）

雄激素是主要由男性的睾丸和肾上腺皮质分泌的一类类固醇激素，女性的卵巢和肾上腺皮质也会少量分泌，它对于男性和女性的生理功能都有重要的调控作用。雄激素研究历史悠久，英国学者李约瑟将中药“秋石”列为中国古代科技的二十六项发明之一，认为“秋石”中即含有雄激素成分，可以延年益寿。而在19世纪的西方国家，雄激素也曾作为“返老还童”激素而名噪一时。德国化学家Adolf Butenandt和瑞士化学家Leopold Ruzicka，由于在雄激素的分离、纯化和合成领域的杰出贡献，获得1939年诺贝尔化学奖。雄激素中最主要的是睾酮及其代谢产物二氢睾酮（人体内已知的最强效雄激素），它们对于性器官的发育以及第二性征的形成具有决定性影响。同时，二氢睾酮还参与了多种代谢和发育过程，如促进蛋白质合成，增加肌肉质量，促进脂肪的分解和调节骨骼发育等，在机体能量代谢、免疫稳态维持、认知功能和肿瘤发生等生理和病理过程中发挥重要作用。

由于其重要作用，雄激素类药物在医学上有广泛的应用，主要用于治疗由于雄激素缺乏引起的各种疾病，如男性性腺功能减退、延迟性发育、肌肉萎缩症等，以及作为某些类型贫血的辅助治疗。在运动医学领域，雄激素类药物由于其增肌效果，可以短时间内大幅提高运动员的肌力和体能。然而，雄激素的使用也伴随着显著的副作用，例如心血管疾病风险增加、前列腺增生、脱发甚至癌症，极大限制了其药用价值，世界反兴奋剂组织也将多种雄激素列入禁用黑名单。因此，科学家们多年来一直致力于寻找更安全有效的雄激素替代途径，以充分发挥雄激素的生理功能，同时减少不良反应。雄激素主要通过与细胞内的雄激素受体（Androgen receptor, AR）结合，形成的激素-AR复合物转移到细胞核内，通过调控相关基因转录发挥作用。近年的研究发现，雄激素也能产生快速的非基因组效应，在短时间内调控肌肉收缩等功能，提示可能存在细胞膜受体介导的调控过程。但雄激素的膜受体是什么以及其如何通过膜受体发挥调控作用，一直是领域内的未解之谜。

G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）作为目前已知最大的膜受体家族，包含超过800种受体，参与几乎所有的生理过程，因其广泛参与感知外部信号（如光、气味、激素等）并启动细胞内信号通路而备受关注。其中，粘附类GPCR（adhesion GPCR, aGPCR）是GPCR的一个特殊亚家族，具有独特的长N端结构域，能够通过与细胞外基质或相邻细胞的相互作用调节信号传递。近年来，我国科学家发现部分粘附类GPCR能够识别类固醇激素并调控重要的生理功能。例如，GPR97能够结合糖皮质激素，调控免疫反应和炎症通路；GPR126能够识别17-羟孕酮（17-hydroxyprogesterone, 17OHP），在三阴性乳腺癌发生发展‌中发挥重要作用；GPR64能够被去氢表雄酮（DHEA）激活，影响生殖系统功能。这些研究结果提示，类固醇激素可能普遍存在细胞膜受体，与核受体共同调控生理和病理功能。那么作为类固醇激素中的明星分子，雄激素是否有可能通过结合并激活GPCR发挥调控作用呢？

图一

2025年1月29日，山东大学基础医学院孙金鹏教授团队，联合德国莱比锡大学Ines Liebscher教授团队，山东大学易凡教授团队、肖鹏教授团队和于晓教授团队，在Cell在线发表了研究论文Identification, structure and agonist design of an androgen membrane receptor。研究团队筛选鉴定了雄激素5α-DHT的膜受体GPR133/ADGRD1，阐明了其在骨骼肌中的调控作用及分子机制，并发展了特异性GPR133的小分子配体，为高效安全的雄激素替代药物开发提供了全新思路。

研究团队首先通过高分辨率液相色谱串联质谱分析，测定了小鼠骨骼肌（趾长伸肌，EDL）中的5α-DHT水平，发现5α-DHT呈现性别、年龄和组织特异性差异，骨骼肌中5α-DHT水平显著高于血液水平。进一步研究发现，在阻断雄激素核受体（AR）后，5α-DHT仍然能够快速增强肌肉收缩力并诱导环磷酸腺苷（cAMP）水平升高，提示其可能通过膜受体调控快速效应。通过对骨骼肌中的GPCR进行高通量筛选，研究团队鉴定出GPR133为5α-DHT的内源膜受体，亲和力高达15.4 nM。GPR133基因敲除小鼠对5α-DHT的快速肌肉增强效应显著减弱，表明GPR133在雄激素介导的快速肌肉增强效应中扮演重要角。

随后，研究团队解析了在5α-DHT作用下GPR133与Gs三聚体复合物的冷冻电镜结构，发现5α-DHT在GPR133中存在两种不同的结合模式，包括高亲和力的“竖直模式”和低亲和力的“平行模式”。在高亲和竖直结合模式中，5α-DHT通过疏水作用和极性作用与受体形成稳定的相互作用。通过分析不同的aGPCR与相应类固醇激素配体的结合模式，研究团队发现了在aGPCR中高度保守的基序“Φ（F/L）^2.64-F^3.40-W^6.53”和“F^7.42××N/D^7.46”分别识别类固醇的疏水核心与极性基团，揭示了aGPCR识别类固醇激素的普遍规律，也提示可能有更多的aGPCR是类固醇激素的内源性配体（图一）。

图一 5α-DHT与GPR133结合的两种模式及aGPCR识别类固醇激素的通用规律

研究团队进一步通过基于结构的计算机辅助设计以及化学合成，开发了一种选择性激动GPR133的高亲和力小分子化合物AP503，阐明了GPR133识别AP503的结构基础。功能和机制研究表明，AP503与5α-DHT通过激活GPR133-Gs-cAMP-PKA信号轴，促进肌肉收缩相关蛋白的磷酸化，从而快速增强肌肉收缩力。同时，AP503不激活雄激素核受体，对前列腺组织等雄激素敏感性器官无显著副作用，可以有效区分雄激素膜受体和核受体的调控作用（图二）。

图二 5α-DHT和AP503激活GPR133的功能及机制研究

综上所述，这项研究鉴定了雄激素5α-DHT的膜受体，阐明了5α-DHT通过激活其膜受体促进肌肉收缩的作用机制，同时揭示了粘附类受体识别类固醇激素的通用机制，通过发展特异性靶向雄激素膜受体的小分子，可以选择性调控肌肉活性而有效规避雄激素的副作用。该研究成果为肌肉萎缩症等疾病的治疗提供了全新靶点，为雄激素替代药物的创新研发提供了理论依据，同时也为抗衰老相关研究提供了新的思路。

山东大学基础医学院/国家卫健委耳鼻喉科学重点实验室杨照教授，山东第一医科大学平玉奇教授，山东大学第二医院王明威博士后，山东大学基础医学院博士张超、周淑华、席乐桐和山东大学高等医学研究院副研究员朱孔凯为本文的共同第一作者；山东大学基础医学院/高等医学研究院/国家卫健委耳鼻喉科学重点实验室孙金鹏教授、德国莱比锡大学Ines Liebscher教授、山东大学基础医学院易凡教授、肖鹏教授和于晓教授为本论文共同通讯作者。中科院物理所丁玮教授提供了重要的计算分析帮助，以及南京大学甘振继教授为本论文的肌肉功能检测提供了重要的指导和技术支持。

专家点评

任善成（海军军医大学第二附属医院泌尿外科主任，教授）

雄激素是人体重要的内分泌激素，不仅影响生殖系统的发育和功能，也能提高骨骼肌的强度。补充雄激素（如口服美睾酮）能提高健美爱好者及性腺功能减退患者的肌肉量和运动能力。但由于雄激素的多重生物学效应，补充雄激素会导致人体内激素水平失衡，导致无精症、液体潴留、雄激素性脱发等一系列副作用，从而限制其应用。山东大学孙金鹏教授团队在其新发表的论文Identification, structure, and agonist design of an androgen membrane receptor 中发现了一种新的雄激素膜受体GPR133，其能被骨骼肌局部生理浓度的5α-DHT激活，从而提高细胞内cAMP水平并增强肌肉力量。这项研究揭示了全新的雄激素效应方式，进一步加深了人们对雄激素非基因组效应的理解。基于对GPR133分子结构及雄激素结合方式的深入研究，作者设计并筛选出新的小分子激动剂AP503，能特异性激活GPR133的同时避免了雄激素的基因组效应。这有助于人们开发出更有针对性的增肌药物，以减少雄激素受体激活引起的副作用，具有巨大的临床转化价值。

不同于核受体AR，GPR133介导雄激素的快速非基因组效应，这在肌肉活动中具有重要意义。同时，该研究发现的新型雄激素膜受体及效应方式为雄激素相关疾病的研究打开了新的思路。例如，本研究发现雄激素膜受体GPR133的激活在前列腺相关组织和细胞系中不引起副作用，那么该受体在前列腺癌的发生发展中可能扮演什么角色？精准区分雄激素膜受体和核受体的调控作用对于前列腺癌，尤其是去势抵抗性前列腺癌的治疗，或可提供更多理论依据。另外，雄激素对于免疫系统具有很强的调控作用，去势激活免疫反应已有广泛报道，但其具体机制仍然不甚明确。若雄激素膜受体也存在于免疫细胞，那么阐释潜在的雄激素膜受体对于免疫细胞的作用具有重要意义，可能有助于开发针对性的靶向药物用以调节免疫反应，实现对各种类型肿瘤、免疫系统疾病等的治疗。

专家点评

党永军（重庆医科大学药学院院长，教授）

肌肉减少症 (SAR) 是肌肉质量降低、肌肉力量减退而引起的一种综合症，在老年人中多发，也是肿瘤、糖尿病、慢阻肺等患者的一种常见并发症。由于雄激素类药物可以促进肌肉蛋白质合成，增强肌肉力量，因而是SAR的主要辅助治疗药物，然而，受限于其雄激素源性副作用，导致该类药物的临床使用常常受限。

G蛋白偶联受体（GPCR）在细胞信号转导过程中发挥关键作用，是最大的药物靶标蛋白质家族。目前已有超过130个GPCR被美国或欧盟批准为药物靶标，在已经上市的药物中约有35%的药物分子靶向GPCR。GPCR超家族中，粘附类GPCR是第二大亚家族，但该亚家族大部分成员的内源性配体仍然未知，信号转导及功能调控机制也不明确，限制了其作为药物靶标的潜力及相关药物的发现。因此，鉴别粘附类GPCR的内源性配体，阐明其功能、激活和调控机制一直是该领域的研究热点，也是拓展GPCR未来药物研发的方向。

近日，山东大学孙金鹏教授团队，联合德国莱比锡大学Ines Liebscher教授团队，山东大学易凡教授团队、肖鹏教授团队和于晓教授团队从结构、功能、分子水平等层面首次揭示了人内源性雄激素双氢睾酮（5α-DHT）的膜结合粘附类GPCR受体--GPR133/ADGRD1，并阐明了其在骨骼肌中的调控作用及分子机制。基于以上研究结果，研究团队开发了一种选择性激动GPR133的高亲和力小分子化合物AP503。该小分子能通过特异性激活GPR133-Gs-cAMP-PKA信号轴促进肌肉功能而不引起雄激素源性副作用，体现出良好的靶点选择性。

该项工作不仅首次发现了与雄激素结合的膜受体，对粘附类GPCR的功能研究进行了重要拓展，而且也填补完善了雄激素药物发挥增肌作用的调控机制，为雄激素替代药物、新型肌肉减少症治疗药物等的开发提供了新靶点和新策略，具有非常高的学术价值和临床转化价值。后续研究团队可以对AP503的代谢稳定性、安全性等进行考察研究，开展系统的成药性优化工作，推动临床转化和应用。

专家点评

翟琦巍 (中国科学院上海营养与健康研究所研究员)

雄激素作为关键的性激素在生长发育、生理病理等过程中都发挥着重要作用。雄激素一方面可以和其核受体结合而调控基因转录，另一方面也可以以非核受体依赖的膜受体方式发挥作用。

雄激素的核受体早在80年代末就被芝加哥大学的台湾学者廖述宗教授等发现和鉴定 (Science. 1988 Apr 15; 240(4850):324-6)，但雄激素的膜受体近30多年来一直未能被确认。前期的研究提示TRPM8、OXER1、GPRC6A、ZIP9等都有可能是雄激素的膜受体，但都缺乏充分的证据 (Endocrinology. 2019 Apr 1;160(4):772-781.)。

孙金鹏教授及其合作者，非常巧妙地基于雄激素可以通过其膜受体快速诱导cAMP产生这一特点，对于雄激素有响应的小鼠肌肉组织中有较高表达的30种G蛋白偶联受体进行了筛选，并通过基因敲除等技术方法发现GPR133可以介导雄激素的作用。随后进一步通过结构解析，阐明了雄激素通过GPR133发挥作用的结构基础。

更为重要的是，孙金鹏教授及其合作者基于对雄激素与GPR133相互作用机制的了解，筛选出了仅结合膜受体GPR133而不结合核受体的激动剂AP503。该激动剂或其类似物对于可以消除因激活核受体而带来的副作用的雄激素类药物的研发，具有非常重要的意义。类似的，该研究成果也为后续研发仅激活核受体而不激活膜受体的雄激素类药物奠定了重要基础。

GPR133，也称Adgrd1 (adhesion G protein-coupled receptor D1)，目前相关的研究还比较少。后续对于GPR133直接或条件性基因敲除的深入研究，将有助于揭示GPR133在雄激素信号通路中的重要性，及其在不同组织器官中的功能和作用，以及是否还存在其它的雄激素膜受体。

专家点评

朱鹤（上海交通大学医学院附属仁济医院研究员）

雄激素 5α- 二氢睾酮（5α-DHT）在生殖系统、肌肉质量与力量维持、骨骼、毛发生长等方面起着关键作用。传统观点认为，5α-DHT 主要通过核雄激素受体 AR 调控基因表达，发挥长期效应。有研究表明，5α-DHT 处理30分钟就能快速增强肌肉收缩力，这暗示其可能与其他受体介导的快速信号转导相关。但5α-DHT是否借助膜受体及非转录组途径在短时间内快速调控肌肉功能，具体分子机制仍不明确。

山东大学孙金鹏教授团队长期致力于膜受体G蛋白偶联受体（GPCR）的研究，在 GPCR 于各类感觉系统的感知机制上成果丰硕，在国际GPCR 研究领域具引领地位。本研究首次发现5α-DHT可直接激活膜受体GPR133，通过GPR133-Gs-cAMP-PKA信号通路快速增强肌肉力量。这一研究揭示了5α-DHT作用的新模式，表明其效应不仅依赖经典核受体途径，还包括膜受体调控的快速信号转导的方式。作者进一步解析了5α-DHT与GPR133的结合位点和结构特征，发现两种亲和力不同的结合构象及保守的类固醇识别结构域。这表明其他aGPCR也可能识别类固醇激素，为探索新的类固醇激素的膜受体提供了基础。此外，研究还开发了选择性的GPR133激动剂AP503，可增强肌肉力量并避免AR介导的副作用。鉴于雄激素在调控发育、代谢、免疫中的重要性，这项工作对理解雄激素的作用机制具有里程碑意义，并为相关的药物设计提供了重要的理论基础。

本研究开启了诸多有趣的问题和潜在的未来研究方向。笔者有如下思考：1）基于本研究对DHT与GPR133结合有两种不同的构象阐释，这两种结合模式是否引发GPR133的下游不同的效应强度，具有不同的生物学意义？GPR133与5α-DHT关键结合位点在不同人群中是否存在多态性差异，这与肌肉对雄激素的响应的个体化差异是否有关？2）GPR133在各组织内具有广泛表达，雄激素激活GPR133在全身不同组织生理、病理中的作用研究，令人期待。3）前列腺癌是男性中常见肿瘤，抗雄治疗（如恩杂鲁胺等）是一线治疗方法。这些抗雄药物是否能与GPR133发生结合并产生效应？临床观察发现，恩杂鲁胺治疗可能引起肌肉酸痛、肌肉无力等不良反应。恩杂鲁胺是否可能拮抗5α-DHT与GPR133的结合参与这些副作用的形成？这些问题的回答，将进一步加深我们对雄激素生理病理功能的认知。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.006

制版人：十一

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（*排名不分先后）