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为探究芳烃受体（AHR）与配体高亲和力结合及激活的分子机制，研究人员分析 AHR-ARNT（芳烃受体核转运蛋白）异源二聚体与不同配体结合的结构。结果揭示了亚基组装新模式及配体驱动激活机制，为 AHR 靶向药物开发提供关键信息。
在生命的微观世界里，有一种神秘的蛋白质 —— 芳烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor，AHR），它就像细胞的 “环境侦察兵”，能敏锐感知各种小分子配体，从环境污染物到体内的代谢产物都逃不过它的 “法眼”。AHR 广泛分布于肝脏、皮肤、肺和肠道等器官，承担着重要使命，不仅参与细胞解毒过程，还在免疫反应中发挥关键作用。一旦 AHR 功能失调，就如同多米诺骨牌般引发一系列健康问题，癌症、代谢紊乱、炎症性疾病等都与之密切相关。
近年来，Tapinarof 这种治疗斑块状银屑病的 AHR 激动剂获批上市，让人们看到了调控 AHR 活性在治疗疾病方面的巨大潜力。然而，AHR 与配体结合的精确机制以及它被激活的详细过程，就像隐藏在迷雾中的宝藏，一直未被完全揭开。此前研究虽然取得了一些进展，但仍存在诸多不足。比如，对于 AHR 与多种配体结合的立体化学基础，科学家们始终难以精准把握；AHR 从与伴侣蛋白结合状态转变为与 ARNT 结合并进行 DNA 结合的过程，在结构层面也缺乏清晰的认知。这些知识空白，严重阻碍了 AHR 靶向药物的进一步研发。
为了攻克这些难题，山东大学微生物技术国家重点实验室的研究人员勇挑重担，开展了一项意义重大的研究。他们深入剖析 AHR 与不同配体结合的奥秘，旨在揭示 AHR 高亲和力结合和激活的分子机制。研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员运用了多种先进的技术方法。其中，X 射线衍射技术（X-ray diffraction）和冷冻电镜技术（Cryogenic-Electron Microscopy，Cryo-EM）发挥了关键作用，帮助他们获得 AHR - ARNT - DNA 复合物的高分辨率结构，从而清晰观察到分子间的相互作用。此外，通过定点突变（Site-directed mutagenesis）、双荧光素酶 XRE 报告基因检测（Dual-luciferase XRE reporter assay）、免疫共沉淀（Co-immunoprecipitation，Co-IP）、微尺度热泳（Microscale Thermophoresis，MST）等实验技术，从不同角度验证和探究相关机制。
多结构域 AHR - ARNT - DNA 复合物的整体结构组织
研究人员尝试用多种物种的 AHR 和 ARNT 进行结晶实验，历经多次失败后，最终成功利用猪 AHR（pAHR）和人 ARNT（hARNT）获得了分辨率达 3.0 ? 的晶体结构。该结构显示，AHR 和 ARNT 的两个 PAS - B 结构域空间位置独特，与各自的 PAS - A 结构域及 DNA 结合的 bHLH 结构域相距较远，且以 PAS - B 二聚体形式存在。通过与其他 bHLH - PAS 家族成员结构对比，发现 AHR - ARNT 的 PAS - B 结构域相互作用模式与典型结构不同，代表了一种独特的相互作用模式。同时，AHR - ARNT 通过特定氨基酸残基与 XRE 位点特异性结合，这种结合方式区别于其他 bHLH - PAS 家族成员。
PAS - B 单元依赖于保守的 AHR 片段
通过与果蝇 AHR 和小鼠 ARNT 的 PAS - B 结构域结构对比，发现 pAHR PAS - B 结构域的 C 末端环（C - ter loop，残基 401 - 413）插入到两个 PAS - B 结构域之间，对 PAS - B/PAS - B 界面起到关键稳定作用。Co - IP 实验表明，虽然 C - ter loop 缺失不影响 AHR - ARNT 二聚化，但双荧光素酶 XRE 报告基因检测和 qPCR 实验显示，其会导致 AHR 转录活性明显下降，且影响 AHR 下游基因 CYP1A1 的 mRNA 表达。此外，研究还发现关键组氨酸残基 H324 与 C - ter loop 上的 A405 和 G407 形成氢键，对稳定 C - ter loop、影响 AHR 转录激活有重要作用。
保守残基介导的多配体结合
研究人员成功解析了 AHR - ARNT 与另外五种配体结合的 DNA 结合结构，对比分析发现这些复合物整体结构相似。所有配体都通过疏水、范德华力和氢键与 AHR 结合，但方式既有相似之处又有差异。AHR 口袋中直接与配体相互作用的残基高度保守，其中八个关键残基（H289、F293、G319、C331、F349、L351、S363 和 Q381）共同决定了结合口袋的轮廓，通过精确的空间分布容纳不同化学配体。对这些残基进行突变实验，结果显示会降低 AHR 转录活性，验证了它们在配体结合中的重要作用。
配体特异性结合和 AHR 激活
尽管六种激动剂都结合在 AHR 的相同位置，但它们的取向存在细微差异。Tapinarof、FICZ、BaP、BNF 和 Indigo 具有相似的结合模式（Mode 1），而 Indirubin 的结合模式（Mode 2）有所不同。pAHR 的 Y330 和 I347 残基会根据不同结合模式调整构象，突变 Y330 会影响 AHR 转录活性，且不同突变对不同结合模式的配体影响程度不同。通过 MST 和 XRE 报告基因检测定量分析发现，不同配体与 AHR 的结合亲和力和细胞活性存在差异，在不同细胞系中，配体的激活效果也有所不同，反映出 AHR 通路在不同细胞类型中的复杂调控机制。
动态 AHR 构象转变：从细胞质到细胞核
研究人员对比 AHR 在不同状态下的结构，发现配体结合会导致 AHR PAS - B 结构域的 DE - loop 向口袋方向发生构象变化，C - ter loop 的位置也在不同状态下有所不同。配体结合还会促使 pAHR PAS - B 结构域 Gβ 链上的 V348 和 F349 残基向外移动，形成新的氢键和盐桥，稳定 Jα 螺旋和 C - ter loop，影响 AHR 激活。对关键相互作用残基进行突变实验，结果显示会降低 AHR 转录活性，且突变 R398E 会影响 AHR 核转位。此外，研究还发现 AHR 从细胞质向细胞核转位过程中，ARNT 结合可能会取代 XAP2 与 AHR 的结合，C - ter loop 的构象变化在其中起到重要作用。
在讨论部分，研究人员指出，bHLH - PAS 蛋白家族成员在监测和响应环境及生理信号方面发挥重要作用，但各成员的调控机制存在差异。AHR 因其独特的配体依赖性激活方式和广泛的配体种类备受关注，本研究揭示的 AHR - ARNT 二聚化模式、关键结合残基以及配体驱动的激活机制，为理解 AHR 的功能提供了重要依据。同时，也为开发针对 AHR 及其他 bHLH - PAS 家族成员的靶向药物开辟了新途径，有望推动临床候选药物的研发，为相关疾病的治疗带来新的希望。
