胰岛素（Insulin）和胰岛素样生长因子（IGF-1和IGF-2）通过相关受体调控代谢、生长和发育。在脑功能或胎儿发育等背景下，三种激素的协同信号传导至关重要。研究人员报道了一种工程化胰岛素类似物[GluB10, D-HisB24, GlyB31, TyrB32]-insulin（简称1Ins），该类似物对胰岛素受体A型（IR-A）、B型（IR-B）具有高亲和力，对IGF-1R亲和力尤其高。与天然胰岛素相比，1Ins与IGF-1R的结合强度提高了约1000倍，接近IGF-1的水平。冷冻电镜（Cryo-EM）结构揭示了1Ins中极少的氨基酸取代如何使其有效结合IR-A和IGF-1R。在神经元细胞中，1Ins能强力激活IR和IGF-1R通路，促进细胞存活，并在神经保护实验中优于天然配体。在体内（小鼠和大鼠）实验中，1Ins能有效调节血糖。磷酸化蛋白质组学（Phosphoproteomic）分析证实了其双重通路激活能力，并识别出1Ins特有的靶点。这些发现表明，通过理性设计双受体激动剂，可以获得在代谢控制、神经保护和再生方面具有治疗潜力的强效、多功能配体。
研究背景与问题
胰岛素（Insulin）与胰岛素样生长因子（IGF-1、IGF-2）是调控动物代谢、生长与发育的关键激素，它们通过结构相似的受体酪氨酸激酶（IR-A、IR-B、IGF-1R）发挥作用。在胎儿发育及脑功能等生理过程中，这三种激素及其受体的协同作用至关重要。然而，天然胰岛素对IGF-1R的亲和力极弱（仅为IGF-1的约0.08%），IGF-1对IR的亲和力也较低，这种特异性限制了它们在需要双重信号协同场景（如神经保护与代谢调控并重）的应用。因此，能否通过蛋白质工程设计一种既能高效激活胰岛素受体（IR），又能强效激活IGF-1R的双重激动剂，成为该领域亟待解决的问题。
研究概况
本研究发表于《Science Advances》，研究人员通过理性设计，成功开发了一种名为 1Ins（[GluB10, D-HisB24, GlyB31, TyrB32]-insulin）的工程化胰岛素类似物。该分子打破了天然激素的受体特异性，实现了对IR-A、IR-B及IGF-1R的高效共激活。研究证实，1Ins 在细胞模型（包括神经元）中展现出优于天然配体的神经保护与促存活能力，在动物模型中有效调节血糖，并通过磷酸化蛋白质组学揭示了其独特的信号特征，为治疗代谢性疾病与神经退行性病变提供了新的候选策略。
关键技术方法
为验证 1Ins 的功能，研究采用了多学科技术路线：1）蛋白质化学合成：通过全化学合成制备 1Ins 及其对照类似物；2）生物物理表征：利用放射性配体结合实验测定其对IR-A、IR-B、IGF-1R、IGF-2R D11及IGFBP-3的亲和力；3）结构生物学：采用冷冻电镜（Cryo-EM）解析 1Ins 与IR-A、IGF-1R的复合物结构，揭示其结合机制；4）细胞与分子生物学：在转染人源受体的鼠成纤维细胞、人神经母细胞瘤SH-SY5Y、胶质母细胞瘤U87MG细胞系及原代大鼠神经元中，通过Western blot评估受体自磷酸化及Akt、Erk信号激活；5）功能学验证：利用MTT法检测细胞活力及抗甲基乙二醛（MG）毒性能力，并在小鼠和大鼠模型中评估其体内降糖活性；6）磷酸化蛋白质组学：通过质谱分析 1Ins 诱导的独特磷酸化谱。
研究结果
双高亲和力类似物的设计与结合特性
研究人员在先前[D-HisB24, GlyB31, TyrB32]-insulin的基础上引入GluB10突变，合成了 1Ins。结合实验显示，相较于天然胰岛素，1Ins 对IR-A和IR-B的亲和力分别提升了2倍和9倍，而对IGF-1R的亲和力提升了近1000倍（达到IGF-1水平的79%），实现了真正的“胰岛素-IGF-1R”双重激动特性。对照类似物 2Ins（IR-B特异性）和 3Ins（IR高亲和但IGF-1R无结合）则用于区分信号特异性。
Cryo-EM结构揭示双受体结合机制
通过冷冻电镜解析 1Ins 与IR-A（2.8 Å）及IGF-1R（3.3 Å）的复合物结构，发现 1Ins 在两者中均保持胰岛素样折叠。关键机制在于：1）B链C端重构：GlyB31-TyrB32基序在IR-A中与L1结构域形成氢键，在IGF-1R中则模拟IGF-1的Gly30-Tyr31路径；2）D-HisB24诱导的“下移”效应：该残基在IR-A中嵌入L1口袋，在IGF-1R中推开Asn11侧链，使TyrB26占据IGF-1的Tyr24位置；3）B10位点优化：HisB10突变为Glu，增加了与IR Asn541的氢键，并与AsnB3形成网络以稳定与IGF-1R FnIII-1′的结合。这些微小的取代共同使胰岛素骨架适应了IGF-1R的结合腔。
神经元模型中的受体表达谱
在SH-SY5Y、U87MG细胞及原代大鼠神经元中，IGF-1R是主要表达的受体类型。根据Siddle随机组装模型估算，SH-SY5Y细胞中IGF-1R同源二聚体与IR-A/IGF-1R杂合受体的比例约为4:1，而小鼠前脑中杂合受体比例更高。这种受体分布提示了双重激动剂在神经系统中协同激活的潜在优势。
双重信号通路的强力激活
在表达单一受体的成纤维细胞中，1Ins 激活IR-A、IR-B及IGF-1R的效力均与或优于天然配体。在原代神经元培养中，10 nM 1Ins 诱导的受体自磷酸化及Akt（Ser473）磷酸化水平显著高于胰岛素、IGF-1或IGF-2。Erk1/2的激活在IGF-1R优势细胞中尤为明显。时间进程实验显示，1Ins 在SH-SY5Y细胞中的信号持续时间与IGF-1相当，但强度略优。
增强的神经保护与细胞存活功能
在SH-SY5Y细胞和原代大鼠皮质神经元中，1Ins 处理（10 nM）显著提升了细胞活力（MTT assay）。在甲基乙二醛（MG）诱导的毒性模型中，1Ins 表现出最强的保护作用，其效果优于单独使用胰岛素或IGF-1，证实了同时激活IR与IGF-1R在抵抗代谢应激中的协同效应。
体内代谢效能与磷酸化蛋白质组特征
在小鼠和大鼠模型中，1Ins 表现出与胰岛素相当的降糖能力，证明了其体内代谢效能。进一步的磷酸化蛋白质组学分析不仅确认了 1Ins 同时激活了经典的IR/IGF-1R下游通路（如Akt-mTOR），还鉴定出了一组独特的磷酸化靶点，这些靶点与细胞骨架重组、转录调控及存活信号相关，揭示了 1Ins 区别于天然激素的独特信号指纹。
讨论与结论
本研究通过结构引导的理性设计，成功将胰岛素转化为一种高亲和力的IGF-1R激动剂，创造了首个具有“胰岛素-IGF-1”双重受体激动特性的工程化类似物 1Ins。Cryo-EM结构揭示了极简突变如何重塑受体结合界面，使其能同时高效对接IR与IGF-1R。在生物学功能上，1Ins 在神经元中诱导了更强的存活信号并提供了卓越的神经保护，同时在全身保留了代谢调节能力。这种“一石二鸟”的特性使其在糖尿病相关神经病变、脑损伤修复及代谢综合征的治疗中具有广阔的应用前景。研究最终得出结论：1Ins 证明了双受体激动剂设计的可行性，为开发兼具代谢控制与神经营养功能的新型疗法提供了概念验证与分子模板。
