質(zhì)子作為生命活動的核心調(diào)控者之一，生命已進化出了多種生物傳感器感知胞內(nèi)外的質(zhì)子濃度變化，其中就包括了感知胞外pH的質(zhì)子感應(yīng)G蛋白偶聯(lián)受體（Proton-sensing G protein coupled receptors，Proton-sensing GPCRs）。
在眾多胞外pH傳感器中，質(zhì)子感應(yīng)GPCR因其廣泛的組織分布和多樣的生物學(xué)功能成為研究焦點，包括GPR4、GPR65（TDAG8）、GPR68（OGR1）等。這些受體在人體中廣泛表達，具有重要的生理功能。其中，GPR4在多種組織細胞中廣泛表達，如內(nèi)皮細胞、腎臟、胃腸道和免疫細胞，在調(diào)節(jié)血管張力、血壓和炎癥反應(yīng)中扮演了重要的角色；GPR65和GPR68則表達于多種組織的免疫細胞中，在免疫調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)和細胞增殖中發(fā)揮重要作用。
GPR4的功能失調(diào)與多種疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，尤其在炎癥和腫瘤病理過程中扮演著重要角色。在炎癥方面，GPR4通過過度激活加劇骨關(guān)節(jié)炎等炎癥反應(yīng)；而拮抗GPR4能夠有效緩解腸道炎癥，為炎癥性疾病的治療提供新的思路。在腫瘤病理方面，GPR4在腫瘤組織中的過表達具有顯著的促癌性，提示其在腫瘤發(fā)展中的潛在作用。因此，靶向GPR4的拮抗劑研發(fā)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前已知的GPR4拮抗劑分子在病理條件下的酸性環(huán)境中，其拮抗效應(yīng)會受到限制。因此，深入研究質(zhì)子感應(yīng)GPCR的信號識別、激活以及小分子拮抗機制是十分必要的。通過對GPR4質(zhì)子感應(yīng)以及激活機制的深入探索，不僅有助于揭示其在健康和疾病中的復(fù)雜作用，還可以為開發(fā)更高效的GPR4拮抗劑奠定分子基礎(chǔ)。
2025年4月10日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院張巖/毛春友團隊、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院蔡秀軍團隊與南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院韓峰團隊，在Molecular Cell上發(fā)表了題為
Proton perception and activation of a proton-sensing GPCR的研究論文。該研究解析了典型質(zhì)子感應(yīng)受體GPR4于激活態(tài)（偶聯(lián)Gs/Gi蛋白） 與非激活態(tài) （未結(jié)合配體的/結(jié)合拮抗劑NE52-QQ47的） 下的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，示了該受體響應(yīng)質(zhì)子激活的原子密碼。該研究揭示組氨酸殘基能作為“質(zhì)子傳感器”，觸發(fā)ECL2從螺旋-環(huán)到β-轉(zhuǎn)角-β的二級拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而驅(qū)動跨膜結(jié)構(gòu)域重排以及G蛋白口袋的打開。外該研究還闡明了拮抗劑NE52-QQ57阻斷GPR4激活的機制，為靶向腫瘤、炎癥等相關(guān)疾病的藥物設(shè)計奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖1：GPR4的質(zhì)子感知及激活的結(jié)構(gòu)機制圖。
解析質(zhì)子感應(yīng)GPCR激活機制的挑戰(zhàn)
由于質(zhì)子感應(yīng)GPCR的高度動態(tài)性和質(zhì)子傳遞的瞬時性，單一傳統(tǒng)的生物學(xué)實驗技術(shù)難以鑒定其變化的過程，阻礙了人們對質(zhì)子感應(yīng)GPCR激活機制的了解。此外，非激活態(tài)結(jié)構(gòu)信息和激活過程中信息的缺失也對解析質(zhì)子感應(yīng)GPCR激活機制造成了挑戰(zhàn)。首先，非激活態(tài)高分辨率結(jié)構(gòu)的缺乏使得人們難以觀察受體激活前的構(gòu)象以及質(zhì)子結(jié)合后關(guān)鍵位點的變化，從而限制了對其在結(jié)合質(zhì)子后進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的理解。其次，激活過程中質(zhì)子結(jié)合信息的傳遞、受體構(gòu)象重排以及G蛋白結(jié)合模式等細節(jié)信息的缺失，也阻礙了對激活路徑的完整描繪。這些信息的不足使得質(zhì)子感應(yīng)GPCR的功能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性難以明確，增加了揭示其激活機制的難度。
多技術(shù)手段協(xié)助解析質(zhì)子感知密碼
本研究通過多技術(shù)手段協(xié)助解析了質(zhì)子感應(yīng)GPCR——GPR4質(zhì)子感知及激活機制。首先，本工作利用前期課題組聯(lián)合開發(fā)的Nanobit黏連技術(shù)穩(wěn)定激活態(tài)GPR4與不同G蛋白的復(fù)合物構(gòu)象，同時基于人工智能優(yōu)化非激活態(tài)下GPR4與輔助結(jié)構(gòu)解析標(biāo)記蛋白BRIL之間的連接子序列，最終完成GPR4質(zhì)子感應(yīng)與激活過程中四種不同狀態(tài)的高分辨率三維結(jié)構(gòu)解析，進而揭示了受體構(gòu)象顯著變化及感應(yīng)質(zhì)子的關(guān)鍵區(qū)域。之后，通過功能實驗鑒定關(guān)鍵區(qū)域中負責(zé)質(zhì)子感應(yīng)的殘基，從而驗證了結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果。此外，研究人員通過自動化路徑優(yōu)化算法TAPS在終端狀態(tài)已知的情況下動態(tài)模擬了質(zhì)子結(jié)合后受體的構(gòu)象重排過程，揭示了質(zhì)子感應(yīng)的關(guān)鍵殘基和激活的傳遞路徑。此外，基于高分辨結(jié)構(gòu)和恒定pH模擬計算的pKa結(jié)果為關(guān)鍵殘基質(zhì)子化狀態(tài)提供了理論支持。這些多技術(shù)手段的綜合運用，最終揭示了GPR4感知質(zhì)子和激活的精細機制，也闡明了pH變化調(diào)控GPR4的活性的分子基礎(chǔ)。
這項工作解析了質(zhì)子感應(yīng)GPCR（GPR4）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)全周期的結(jié)構(gòu)圖譜，包括其未結(jié)合配體的非激活態(tài)、結(jié)合拮抗劑NE52-QQ57的非激活態(tài)，與Gs偶聯(lián)的激活態(tài)以及與Gi偶聯(lián)的激活態(tài)。通過結(jié)合結(jié)構(gòu)分析、功能實驗、自動化路徑優(yōu)化模擬和基于結(jié)構(gòu)的pKa計算，闡述了三個胞外組氨酸殘基H79、H165和H269對于GPR4質(zhì)子感知的作用。本研究進一步揭示了在質(zhì)子誘導(dǎo)的激活后，GPR4胞外環(huán)經(jīng)歷顯著構(gòu)象變化，特別是ECL2從非激活狀態(tài)時的螺旋-環(huán)構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榱思せ顮顟B(tài)下的β-轉(zhuǎn)角-β構(gòu)象。ECL2的構(gòu)象變化被疏水核心和氫鍵網(wǎng)絡(luò)進一步向胞內(nèi)傳導(dǎo)并最終觸發(fā)胞內(nèi)G蛋白口袋的開啟。需要指出的是，研究發(fā)現(xiàn)拮抗劑NE52-QQ57僅能在低質(zhì)子濃度下部分抑制上述ECL2構(gòu)象變化，而在高質(zhì)子濃度下失能，暗示該類質(zhì)子拮抗劑臨床開發(fā)存在局限性。該工作加強了對質(zhì)子感應(yīng)GPCR的質(zhì)子感知和激活分子機制的全面理解，并促進了未來靶向質(zhì)子感應(yīng)GPCR的藥物設(shè)計研究。
正如論文第一作者陳禮楠博士所言：“每一個受體的激活，都是生命與環(huán)境的對話。這些精妙的分子機器攜帶著專屬的激活密碼本，我們正在破譯這些分子密碼，進而設(shè)計創(chuàng)新干預(yù)密鑰，突破現(xiàn)有調(diào)控手段的局限性。”
GPR4質(zhì)子感應(yīng)及激活的動態(tài)過程
同期，山東大學(xué)孫金鵬教授團隊報道了質(zhì)子受體響應(yīng)質(zhì)子激活的偏向性信號傳導(dǎo)分子機制（Structural basis and biased signaling of proton sensation by GPCRs mediated by extracellular histidine rearrangement）。這兩項互補性研究共同揭示了質(zhì)子受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的全景圖，為理解其激活密碼提供了分子水平上的全面認知（詳見BioArt單獨推送）。
浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院張巖教授，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院蔡秀軍教授、毛春友研究員和南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院韓峰教授為該論文共同通訊作者。浙江大學(xué)博士生陳禮楠、良渚實驗室博士后周輝、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院助理研究員席昆、浙江大學(xué)博士生程詩卓、劉勇鋒和南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院講師傅逸凡為本文共同第一作者。此外，東南大學(xué)博士生馬翔宇，南華大學(xué)碩士生徐萍，浙江大學(xué)博士生戢素玉、沈丹丹，博士后王偉偉、張會冰等也做出了重要貢獻。東南大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院柴人杰教授，浙江大學(xué)軟件學(xué)院章敏教授，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院楊林研究員和良渚實驗室沈慶亞副研究員對本論文提供了重要支持。
https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00262-X；
https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00192-3
制版人： 十一
學(xué)術(shù)合作組織
（*排名不分先后）
戰(zhàn)略合作伙伴
（*排名不分先后）
（*排名不分先后）
轉(zhuǎn)載須知
【非原創(chuàng)文章】本文著作權(quán)歸文章作者所有，歡迎個人轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)作者的允許禁止轉(zhuǎn)載，作者擁有所有法定權(quán)利，違者必究。
BioArt
Med
Plants
人才招聘
會議資訊
近期直播推薦
熱門跟貼