加州大學研究者首次解析HER2/HER3異源二聚體結構
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復合物結構的文章：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三元復合物的結構，并且從結構上闡明了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后。
HER2/HER3/NRG設計和復合物樣品的制備
在cryo-EM中，好的樣品是獲得高質量結構的關鍵，在以往的研究中，HER2/HER3的結構研究都常采用其膜外區(qū)，缺乏跨膜區(qū)和包內結構，因此兩者的復合物不夠穩(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結合HER3，暴漏二聚體結合臂的HER3再和HER2結合并形成復合物（具體純化步驟這里不再詳述）。
HER2–HER3–NRG1β結構
HER2和HER3的穿膜區(qū)和細胞內區(qū)域對于復合物結構的穩(wěn)定具有重要作用，但是在cryo-EM中因其較大的活動性，因此結構不夠清晰，但是HER2/HER3的胞外結構與NRG1β復合物的分辨率高達2.9埃。HER2/HER3/NRG1β結構表明，與EGFR 和 HER4的同源二聚體類似，HER2/HER3結構也成“愛心”狀，并且兩者的第Ⅳ結構域因柔韌性較大，所以結構不夠清晰。在該結構中，HER3結合NRG1β配體后處于伸展狀態(tài)，并且形成“二聚體臂”結合的口袋，HER2以伸展狀態(tài)與HER3結合，并且其“二聚體臂”結合到HER3的口袋中。在該結構中，HER3的“二聚體臂”結構不夠清晰，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”結合的口袋，所以HER3的“二聚體臂”無法結合HER2的口袋。
變構控制“二聚體臂”
與EGFR與配體EGF或者EREG的結合類似，HER3和NRG1β的結合也有不同的狀態(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合的一種中間態(tài)。當配體半楔入受體時，二聚體臂結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)下為伸展轉臺，且沒有配體，因此其二聚體臂結合的口袋為打開狀態(tài)，對HER3二聚體臂的結合能力較弱，因此HER2/HER3的二聚體主要通過HER2的二聚體臂和HER3二聚體臂結合的口袋的結合。
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，研究者構建了S310F突變的HER2，并解析了HER2(S310F)–HER3–NRG1β 復合物的結構。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的口袋結合能力增強，因此HER3二聚體臂在HER2(S310F)–HER3–NRG1β 復合物中的結構更加清晰。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的結合
trastuzumab（曲妥珠單抗/赫賽?。?和pertuzumab（帕托珠單抗）是兩個已經批準上市是靶向HER2的單克隆抗體，它們結合的位置下圖所示：分別位于HER2的第Ⅳ結構域和第Ⅱ結構域。
研究表明兩個抗體都無法破壞已經形成的HER2/HER3異源二聚體（下圖A），trastuzumab結合的第 Ⅳ結構域因為具有較高的柔韌性，因此抗體結合后使HER2的Ⅳ結構域遠離HER3，同時HER3的第Ⅲ結構域也會有一定程度的旋轉，從而防止與trastuzumab空間位置的沖突。
Pertuzumab因為結合在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也無法結合已經形成的二聚體，這可能是因為該位點的突變直接阻礙了抗體的結合（下圖C）。
總結
在以往的結構研究中，研究者都是利用HER2，HER3的胞外區(qū)構建復合物，而通過這種方法得到的二聚體往往不夠穩(wěn)定。本文研究者構建了幾乎全長的HER2/HER3（因為有研究表明，HER2/HER3的胞內結構域可以穩(wěn)定異源二聚體），并得到了穩(wěn)定的復合物結構。
HER2/HER3/NRG1β的結構表明，HER2雖然以“伸展”狀態(tài)與HER3結合，但是因為其沒有配體結合，無法通過構象的變化形成二聚體臂結合的口袋，因此，HER3的二聚體臂無法結合其二聚體臂口袋。這也從側面表明，在自然狀態(tài)下HER2雖然以伸展的狀態(tài)存在，但是其無法通過結合配體形成二聚體臂結合口袋，因此自身無法形成同源二聚體。
S310F/Y突變的HER2與HER3和NRG1β形成復合物結構表明，HER2突變后HER3的二聚體結合臂與310F/Y通過π–π相互作用并穩(wěn)定二聚體的結構，因此該位點的突變可能通過穩(wěn)定二聚體激活相關的下游的信號通路。
trastuzumab（曲妥珠單抗/赫賽汀）和pertuzumab（帕托珠單抗）都可以結合HER2/HER3復合物，但是對于S310F突變，Pertuzuma也無法結合已經形成的二聚體，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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