2025年首篇Cell：山东大学/四川大学合作揭示GPCR质子感知及演化机制|cell|gpcr|原子核|四川大学|山东大学|离子|质子感知

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

题图为孙金鹏教授

质子（Proton）是一种带正电的小粒子，是原子核的重要组成部分，广泛存在于自然界。在溶液中，它们通常以氢离子（H⁺）的形式存在，并会和水分子结合形成水合离子。它们的反应性通过pH值（自由质子浓度的对数）来表示。

在生物化学反应中，质子梯度是许多反应速率的关键决定因素。在包括人类在内的所有生物中，质子梯度在建立线粒体膜的电化学电位中起着至关重要的作用。该电位的场密度达到每米720万伏特，远远超过闪电电场的两倍。这一巨大的电位对于ATP的生成至关重要，而ATP的生成则是细胞能量供应调控的核心过程。

人类通过调节呼吸速率和肾脏功能，维持稳定的血液pH值，通常在7.32到7.42之间。为了满足日常能量需求，线粒体中的质子与碳酸氢盐缓冲系统相互作用，生成大量的二氧化碳（CO2）。这些CO 2 随后通过血液运输，最终通过呼吸排出或以肾酸形式由肾脏排泄。这些过程由质子感应受体（如GPR4）精密调控，确保了生理pH水平的稳定，进而保障了细胞功能的正常运作和整体健康。

在进化过程中，动物不断发展出适应其栖息地（如海洋、河流、热带雨林、高原和沙漠等）的生理机制，以应对不同环境中质子浓度的变化。为了维持正常生命活动，动物通过离子通道或GPR4等GPCR监测细胞外质子浓度的变化，并将这些信息传递给细胞，从而促使其作出相应的生理反应。GPR4起源于软骨鱼（银鲛），在调节呼吸频率、肾脏功能以及恢复pH平衡方面发挥了重要作用。同时，GPR4也在心血管系统中表达，并起到保护作用。尤其值得一提的是，不同于传统的GPCR配体，质子特别小，所以可能会有很多个受体的结合位点。所以，至今关于GPR4如何感知质子的分子机制，以及动物如何进化以适应不同环境中的质子浓度变化，仍不完全清楚。

2025年1月2日，山东大学基础医学院/高等医学研究院孙金鹏教授、四川大学华西医院邓成教授、山东大学基础医学院杨帆教授、张鹏举教授、易凡教授作为论文共同通讯作者，在Cell期刊发表了题为：Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4 的研究论文【1】。

该研究从进化、功能和结构角度，阐释了不同物种GPR4在质子感知中的共同机制以及物种特异性的独特机制，进一步描述了特定的质子感知GPCR是如何进化以适应不同生物的不同生活方式。

追溯GPR4的进化，可以发现它存在于哺乳动物、爬行动物、两栖类动物和鱼类中，但在鸟类中缺失。研究团队对不同的物种血液pH进行了测量，以及分析了不同脊椎动物物种中GPR4质子感知范围及其下游Gs-cAMP活性。结果发现两栖动物中的牛蛙以及爪蟾等具有偏酸的最适pH范围。重要的是，研究发现GPR4的活性最佳pH值与不同物种的血液pH值范围呈正相关。非洲爪蟾GPR4（xtGPR4）经受了正选择压力，表现出最酸性的最优pH范围，这可能与其长期潜水能力及几乎完全水生的生活方式相关。

不同物种中GPR4的活性最适pH

多数现存的两栖动物，如蟾蜍和蛙类，仍然是半水生的，而非洲爪蟾（Xenopus）则几乎完全水生。这些半水生两栖动物可以自愿潜水长达1.5小时甚至更久，但在潜水后并未表现出过度通气现象，而爪蟾则可以潜水长达14小时且不会发生呼吸性酸中毒。于是推测，美洲牛蛙（R. catesbeiana）GPR4（rcGPR4）和热带非洲爪蟾（X. tropicalis）GPR4（xtGPR4）之间的最优pH差异可能与它们的潜水能力相关，从而支持其不同的生活方式。

随后，研究团队解析了热带非洲爪蟾（xtGPR4）和小鼠（mmGPR4）在不同pH条件下的受体单体或与Gs三聚体复合物的冷冻电镜结构。通过观察xtGPR4和mmGPR4在不同pH条件下的7个冷冻电镜结构并结合功能分析，研究发现，在不同的进化相关物种中存在共同的质子感知和质子诱导的GPR4激活机制。两个在进化上保守的组氨酸，在GPCR七次跨膜的ECL2（暴露于溶剂）中的H165 xtGPR4 /H167 mmGPR4 和连接ECL2的中上TM区域的H276 xtGPR4 /H271 mmGPR4 ，被确定为pH诱导GPR4激活的两个关键质子传感器。这两个His质子化到HIP态（咪唑环上的两个氮都被质子化，咪唑基带正电荷），使得这些残基充当氢键供体并构成新的极性网络，这导致ECL2的重排以及ECL2和7TM区域变得更加紧密地结合。

活性最适pH下小鼠和爪蟾GPR4关键H的周围相互作用

随后，这些结构改变通过保守传播路径传播到“拨动开关”Y/F 6.48 位置。经过序列比较和物种分析，这2个关键的H及其形成的极性网络，是不同物种GPR4质子感知和激活的共同机制。

尽管具有共同的质子感应机制，但不同物种的GPR4通过独特的质子感应机制进化。例如，H159 ECL2-45.51 仅存在于xtGPR4中，而不存在于哺乳动物或其他物种中，这表明了一种独特的进化途径。重要的是，H159 ECL2-45.51 的质子化使H159ECL2-45.51和E156 ECL2-45.48 之间以及H159 ECL2-45.51 和S171 ECL2-45.53 之间形成极性网络是xtGPR4在酸性条件下活化的必要条件。此外，受到选择压力的位点突变结果表明， S171.32和E156 ECL2-45.48 可能在xtGPR4活性相对酸性的最佳pH范围中发挥着重要作用。

xtGPR4的适应酸性环境的关键位点

综上所述，该研究揭示了GPR4在进化过程中如何适应周围环境和pH，感知质子和调节酸碱平衡，发现了多种物种血液pH与GPR4活性最佳pH成正相关。同时阐释了不同物种中质子化诱导GPR4激活的共同机制和独特的适应机制，对质子感知受体如何激活和传递提供了相关见解。

山东大学高等医学研究院博士后文鑫，山东大学基础医学院博士后尚攀，四川大学华西医院博士后陈海迪，山东大学高等医学研究院研究员郭璐璐，山东大学基础医学院博士生荣乃康、蒋晓钰，硕士生李瑄和中南大学湘雅医院博士生刘俊彦为论文共同第一作者；山东大学基础医学院/高等医学研究院孙金鹏教授、四川大学华西医院邓成教授、山东大学基础医学院杨帆教授、张鹏举教授、易凡教授为论文共同通讯作者。