近日，上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所劉志杰/華甜課題組與合作者在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞研究》（Cell Research）上發(fā)表了題為“Structural basis of stepwise proton sensing-mediated GPCR activation”的研究論文，揭示了質(zhì)子感應(yīng)G蛋白偶聯(lián)受體（Proton-sensing GPCRs）GPR4和GPR65的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及獨(dú)特的分步激活機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)pH感應(yīng)GPCR的理解，還為開(kāi)發(fā)針對(duì)炎癥性疾病、癌癥等pH相關(guān)疾病的靶向治療提供了新思路。

GPCRs是人體內(nèi)最大的膜蛋白家族，廣泛參與跨細(xì)胞膜生理信號(hào)傳遞，約40%的上市藥物以其為靶點(diǎn)。pH感應(yīng)GPCRs在細(xì)胞微環(huán)境感知和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，GPR4、GPR65、GPR68等受體能夠直接感知細(xì)胞外質(zhì)子濃度變化，在維持人體酸堿平衡、調(diào)控免疫反應(yīng)、影響腫瘤微環(huán)境等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前對(duì)此類(lèi)受體的質(zhì)子感知及激活機(jī)制仍存在爭(zhēng)議，有必要進(jìn)行深入和全面的結(jié)構(gòu)與功能分析。

研究團(tuán)隊(duì)利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了在pH6.0至8.0范圍內(nèi)，GPR4和GPR65與G蛋白（Gs、Gq、G13）形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖1）。通過(guò)對(duì)比不同pH條件下拮抗態(tài)與激活態(tài)受體分子的結(jié)構(gòu)差異，完整描繪了質(zhì)子驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)激活軌跡。他們還意外捕捉到了GPR4受體“部分激活”的中間態(tài)，進(jìn)而提出了該受體分步激活的理論模型，豐富了GPCR激活過(guò)程的多樣性。本研究揭示了組氨酸-羧酸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的“質(zhì)子傳感器”，在GPR4的胞外結(jié)構(gòu)域中，組氨酸H269和H165與周?chē)聂人釟埢纬删芫W(wǎng)絡(luò)，當(dāng)pH降低時(shí)，這些組氨酸被質(zhì)子化，觸發(fā)氫鍵重構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)如同“分子開(kāi)關(guān)”，驅(qū)動(dòng)胞外環(huán)ECL2從水平短環(huán)（非活性態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪?/span>β-sheet結(jié)構(gòu)（活性態(tài)）（動(dòng)畫(huà)）。同時(shí)，GPR4能夠偶聯(lián)Gs、Gq、G13等多種G蛋白，但具體機(jī)制仍待進(jìn)一步探究。本次解析的GPR4 與三種不同G蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示了同一受體通過(guò)細(xì)微構(gòu)象變化調(diào)控不同信號(hào)通路的機(jī)制，為開(kāi)發(fā)信號(hào)通路特異性藥物奠定了重要基礎(chǔ)。

此外，本研究還解析了GPR4與拮抗劑NE52-QQ57的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。該小分子并非占據(jù)傳統(tǒng)正構(gòu)口袋，而是結(jié)合在由跨膜螺旋TM2、TM3和TM7形成的變構(gòu)位點(diǎn)，迫使ECL2構(gòu)象“凍結(jié)”在非活性狀態(tài)，從而阻斷質(zhì)子感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)高選擇性拮抗劑提供了全新思路。

該工作首次系統(tǒng)解析了GPR4和GPR65在不同pH條件下的構(gòu)象變化及激活機(jī)制，為理解質(zhì)子感知受體如何介導(dǎo)信號(hào)傳遞提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有助于更多小分子調(diào)節(jié)劑的發(fā)現(xiàn)，提供精準(zhǔn)干預(yù)pH感應(yīng)GPCR的活性，從而為炎癥、腫瘤等相關(guān)疾病的治療帶來(lái)新的策略。

圖1 GPR4和GPR65激活的分子機(jī)制

動(dòng)畫(huà)GPR4的ECL區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化

上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2023級(jí)博士研究生岳曉磊、2022級(jí)博士研究生彭立和劉沈徽為共同第一作者；上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所副研究員武麗杰、海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)征醫(yī)院教授徐滬濟(jì)和上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所研究員、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授劉志杰，助理教授華甜為該工作的共同通訊作者。該工作得到上科大生物電鏡平臺(tái)和其他平臺(tái)的支持，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-025-01092-w