我国青年科学家同步破解GPCR感知质子的分子密码

生物体中质子即氢离子，小离子发挥大作用，质子决定着大多数生化事件的发生速率，参与线粒体生成ATP，影响机体酸碱平衡。然而，长期以来，关于机体如何感知质子的分子机制一直不甚明了。2025年4月10日，中国病理生理学会受体专委会委员孙金鹏教授与张岩教授，分别与合作团队在《Molecular cell》杂志上同期发表了此方面的研究论文，主题分别为Structural basis and biased signaling of proton sensation by GPCRs mediated by extracellular histidine rearrangement和Proton perception and activation of a proton-sensing GPCR。两项突破性研究成果为我们揭开了G蛋白偶联受体GPR4和GPR68感知质子并传递信号的神秘面纱，为相关疾病的治疗带来了新的希望。

尽管大多数细胞表面的质子传感器是离子通道，最新研发发现有三种G蛋白偶联受体（GPCRs）能够响应细胞外pH值变化：GPR4、GPR65和GPR68。这些受体表达在脑干、肾脏、胃肠道、骨骼、血管以及免疫器官等多个部位，参与中枢及外周pH稳态的维持。然而，由于缺乏结构信息，这些受体感知pH变化和信号转导机制尚不完全清楚。

孙金鹏教授及合作团队聚焦GPR4和GPR68感知质子的特点及偏好性激活不同G蛋白信号通路的分子机制，主要发现GPR4和GPR68感应质子主要依赖于两个保守的组氨酸残基（H165^ECL2-45.47和的H269^7.36）。这些组氨酸残基在质子化后，通过形成极性相互作用网络，诱导ECL2与TM6之间的构象重排，从而激活受体。GPR68尚存在一个额外的质子感应位点H84^2.67，其质子化后可增强TM2、ECL1和ECL2之间的相互作用。此外发现，GPR4和GPR68在不同pH条件下表现出对不同G蛋白信号通路的偏好性激活。GPR4激活Gs信号通路的最适pH为7.2~6.8，激活Gq信号通路的最适pH为6.5~6.3；H79^2.66的质子化能够专一性地促进GPR4与Gq的偶联，而对其与Gs的结合无显著影响。而GPR68在pH 6.0-5.6范围内表现出最佳的Gs通路激活活性，其在更酸性环境中保持高活性与H84^2.67的质子化密切相关。多个疏水残基构成“疏水传导链”，连接质子感应位点至构象“开关”残基F6.48，从而在质子感应信号转导中发挥关键作用。

图一 GPR4和GPR68感知质子及偏向激活G蛋白分子机制图

张岩教授及合作团队聚焦GPR4激活过程中构象动态变化机制，解析了非激活态（未结合配体的/结合拮抗剂NE52-QQ47的）和激活态（偶联Gs/Gi蛋白）GPR4的三维结构，主要发现，GPR4的质子感应主要依赖于三个胞外组氨酸残基（H79^2.66、H165^45.47和H269^7.36）。这些组氨酸残基在质子化后形成稳定的相互作用，从而稳定受体的活性构象。ECL2在GPR4的拮抗态和激活态中扮演双重角色。在拮抗态时，ECL2呈现螺旋-环构象，通过与周围TM3、TM5和TM7形成氢键部分封闭细胞外口袋；在激活态时，ECL2转变为β-转角-β结构，显著增加了细胞外口袋的高度和占据率。与经典的A类GPCR相比，GPR4在拮抗态时表现出独特的结构特征，在激活过程中使用了非典型的激活基序，如F^6.48、D^7.49/N^7.45/N^3.35等。拮抗剂NE52-QQ57结合在GPR4的细胞外口袋中，与W73^2.60、Y24^1.39、Y76^2.63和F77^2.64等残基形成关键的相互作用，通过阻止ECL1和Y76^2.63在激活过程中的内向移动来抑制GPR4的激活，并且仅能在低质子浓度下部分抑制ECL2构象变化。GPR4与Gs和Gi的结合界面存在显著差异，Gs的结合界面更大，涉及更多的疏水和极性相互作用；V212^ICL3是GPR4与Gi结合的关键残基，其突变会显著影响Gi的结合，但对Gs的结合几乎没有影响。

图二 GPR4非激活态及激活态三维结构图

GPR4和GPR68已被证实与炎症性疾病、心血管疾病和癌症等密切相关，这两项研究从不同角度揭示了GPR4和GPR68感知质子并传递信号的分子机制，加深了我们对机体酸碱平衡和呼吸调控机制的理解，同时为靶向质子感知GPCRs的临床药物开发提供了重要的理论依据。

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