主要观点总结
本文介绍了山东大学基础医学院孙金鹏教授团队等关于质子感知GPCR的研究，重点阐述了不同物种中GPR4作为质子感知受体的作用机制，包括其感知质子和调节酸碱平衡的方式，以及不同物种血液pH与GPR4活性最佳pH值之间的正相关关系。研究揭示了质子感知GPCR如何适应各自生活方式和环境的进化过程，并提供了相关见解。
关键观点总结
关键观点1: 研究背景
动物依靠感知、分析和响应内外环境的各种刺激来适应生存和适应复杂多变的环境，其中G蛋白偶联受体（GPCR）等pH传感器对于维持正常的生命活动至关重要。
关键观点2: 研究内容
研究团队对GPR4在不同物种中的进化、活性最佳pH值进行了探索，并监测了血液pH值。发现不同物种的血液pH值与GPR4活性最佳pH值之间呈正相关，其中爪蟾表现出最低（即酸性最强）的活性最佳pH值。通过对比分析热带爪蟾和小鼠的GPR4单体和与Gs三聚体复合物的冷冻电镜结构，揭示了不同物种存在共同的质子感知机制以及物种特异性的独特机制。
关键观点3: 共同机制
研究发现两个进化上保守的组氨酸是pH诱导GPR4激活的关键质子传感器，形成了极性网络，导致ECL2重排以及ECL2和7跨膜区域更紧密地结合，随后这些结构改变传播到“拨动开关”Y/F 6.48 位置。
关键观点4: 物种特异性适应
不同物种的GPR4通过独特的质子感应机制进化。例如，H159残基的特定结构域仅存在于热带爪蟾的GPR4中，代表了一种独特的进化途径。重要的是，H159 ECL2-45.51 的质子化形成了与谷氨酸残基和丝氨酸残基特定结构域之间的极性网络，这是热带爪蟾GPR4在酸性条件下激活的必要条件。
关键观点5: 研究意义
该研究揭示了GPR4作为必要且高度保守的质子感知受体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的机制。同时，为研究GPCR介导的质子感知提供了机制解析，有助于更详细地破译质子感知受体的生物学作用，并为设计对生理pH变化不敏感的功能受体变体奠定基础。
正文
▎药明康德内容团队编辑 生物体依靠感知、分析和响应内外环境的各种刺激，以维持其内部环境的平衡状态，从而在复杂多变的外部环境中生存和适应。这一过程不仅涉及对外部环境变化的快速反应，还包括对内部生理功能的精确调节。因此，为了维持正常的生命活动，G蛋白偶联受体（GPCR）等pH传感器不可或缺。它们时刻监控着细胞外质子浓度的变化，并将这些信息传递给胞内。GPCR调控体内的CO2通过呼吸或是经由肾脏排出，使得人体血液pH值维持在7.32-7.42之间的稳定水平。在质子感知GPCR中，GPR4是一个在脊椎动物中保守的重要成员。GPR4在调节呼吸频率、肾脏功能以及恢复pH平衡方面发挥重要作用，同时还起到了保护心血管系统的作用。不过一直以来，GPR4感知质子并传递信号的详细分子机制仍然不清楚。另一个尚未解决的问题是不同动物物种的GPR4如何进化出对于质子浓度变化的适应性。动物从海洋登陆，征服了从热带雨林到干燥沙漠的各种栖息地。面对不同环境中差异巨大的质子浓度，动物进化出了对各自栖息地的适应性生理机制。科学家们尚不清楚，不同动物GPR4的最佳pH范围是否因相应的栖息地或生活方式变化而有所不同。今日，山东大学基础医学院孙金鹏教授团队、易凡教授团队联合四川大学华西医院邓成教授团队在《细胞》（Cell）期刊在线发表研究论文，为这两个问题提供了全新见解。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。这些发现进一步描述了特定的质子感知GPCR如何进化以适应各自的生活方式。研究团队指出，这一发现还将有助于与呼吸调控、酸碱平衡相关的疾病治疗，以及理解对极端环境的适应机制。在这项研究中，研究团队首先探索了GPR4在不同物种中的进化以及活性最佳pH范围。GPR4起源于软骨鱼，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。由于GPR4可以感知pH值变化，研究团队监测了血液pH值。其中，不同两栖类动物的血液pH值差异引起了研究者的关注。爪蟾属（Xenopus）的非洲爪蟾和热带爪蟾正常血液pH值为7.22–7.31，明显低于其他两栖类（牛蛙）。随后，研究团队进一步测定了不同物种GPR4质子感知范围及下游Gs-环磷酸腺苷（cAMP）活性。结果，不同物种的血液pH值与GPR4活性最佳pH值之间呈正相关，其中爪蟾表现出最低（即酸性最强）的活性最佳pH值。▲不同物种中GPR4的活性最适pH（图片来源：参考资料[1]）为什么爪蟾在这些指标上与众不同？研究团队推测，原因可能在于爪蟾独特的长期潜水能力，以及几乎完全水生的生活方式。多数现存的两栖动物仍然是半水生的，但爪蟾是个例外，大部分爪蟾属的物种几乎完全水生。对于肺呼吸四足动物，CO2排泄受阻时会发生呼吸性酸中毒，导致pH值降至正常范围以下，例如在潜水时就会发生这一过程。然而，爪蟾可以连续潜水至少140分钟，并且即使体内CO2大量堆积也不会发生呼吸性酸中毒，因此其GPR4质子感知的酸性条件可能代表了对极端水生生活方式的适应。由于细胞外组氨酸的质子化可能在GPCR的pH感知中发挥关键作用，研究团队接下来分析了不同动物中，胞外结构域或跨膜区域中GPR4的组氨酸（His）残基。他们对比分析了不同pH值条件下，热带爪蟾和小鼠的GPR4单体和与Gs三聚体复合物的冷冻电镜结构。研究发现，不同物种存在共同的质子感知机制——两个进化上保守的组氨酸，是pH诱导GPR4激活的关键质子传感器。具体而言，一个组氨酸残基位于七次跨膜的ECL2结构域（在热带爪蟾和小鼠中分别为H165和H167）；另一个位于连接ECL2的中上跨膜区域（在热带爪蟾和小鼠中分别为H276和H271）。这两个组氨酸质子化形成极性网络，导致ECL2重排以及ECL2和7跨膜区域更加紧密地结合。随后，这些结构改变通过保守传播路径传播到“拨动开关”Y/F6.48位置。这2个关键的组氨酸残基及其形成的极性网络，正是不同物种GPR4质子感知和激活的共同机制。▲活性最适pH下小鼠和爪蟾GPR4关键组氨酸残基的周围相互作用（图片来源：参考资料[1]）尽管拥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残基的特定结构域（H159ECL2-45.51）仅存在于热带爪蟾的GPR4中，而不存在于哺乳动物或其他物种中，这代表了一种独特的进化途径。重要的是，H159ECL2-45.51的质子化使得其与谷氨酸残基（E156）和丝氨酸残基（S171）特定结构域之间形成极性网络，这是热带爪蟾GPR4在酸性条件下激活的必要条件。综上，此项研究揭示了GPR4作为必要且高度保守的质子感知受体，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，并且发现了多种物种血液pH与GPR4活性最佳pH呈正相关。同时，该研究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。值得一提的是，在Cell同日发表的另一项研究中，加州大学旧金山分校领衔的研究团队解析了GPR4以及另外两个质子感知GPCR（GPR65和GPR68）的冷冻电镜结构，并结合深度突变扫描和分子动力学模拟，揭示了在GPR68激活中具有重要功能的残基，以及GPR68质子化和构象的联系，为理解GPCR信号传导复杂性提供了全新框架。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本文论文的共同第一作者。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、易凡教授为本论文共同通讯作者。孙金鹏教授团队长期从事膜受体GPCR的细胞信号转导和微观环境药理学研究，在GPCR对痒觉、嗅觉、味觉、听觉、机械力等感觉的感知机制中取得了系列成果：揭示了痒觉受体的内源性配体和独特的激活模式（Nature. 2021;600(7887):164-169）；阐释了黏附类受体对力的感知机制并发展了多肽激动剂和拮抗剂（Nature. 2022a 604(7907):771-778; Nature. 2022b 604(7907):763-770）；解析了嗅觉受体对气味的感知机制(Nature. 2023 Jun;618(7963):193-200);发现了黏附类受体LPHN2在毛细胞表达，参与了听觉和平衡的调控，是平衡所必须的，为眩晕和听力障碍的治疗提供潜在的新的治疗途径 (Cell Res. Accepted)。山东大学易凡教授长期从事GPCR在肾脏中的功能和调控机制，并与孙金鹏教授长期合作，揭示了肾脏中黏附类GPCR GPR97在急性肾损伤中促炎并加重肾损伤的机制及其内源性配体糖皮质激素（Nature, 2021a; 589: 620-626，J Am Soc Nephrol. 2018; 29:1475-1489），还揭示氧化型胆固醇受体GPR183促进内皮衰老及心肾损伤的新机制及干预策略（Circ Res. 2024 Sep 13;135(7):708-721）。四川大学华西医院的邓成教授长期从事GPCR的达尔文医学-分子进化与生理功能适应研究，与四川大学华西医院邵振华教授团队合作阐明S1PR1-Gi偏向性激动剂SAR247799通过调控血管内皮屏障功能，保护包括溃疡性结肠炎，肺纤维化等内皮相关疾病（Nature communication,2024 accepted）；揭示了NPYR受体在不同物种之间经历的功能适应性演化，阐明神经肽识别和激活受体的分子基础（MedComm,2024 Jun 15;5(7) :e565）；GPR15–C10ORF99 功能配对启动了羊膜动物中的第一个结肠 Treg 归巢反应（EMBO rep (2021)23: e53246）。动物依靠嗅觉、味觉和躯体感觉等直接感知外界环境中的化学物质，这对动物适应环境保障生存繁衍至关重要。除此之外，环境中的化学物质还能进入动物体内，改变内环境。例如，不同环境中的二氧化碳及吸入可使动物体内环境的氢离子H+（质子）浓度发生变化，改变体液（包括血液等）的酸碱度，而酸碱性是决定细胞中生物化学反应的基础，酸碱性的改变因而能影响细胞的代谢活动、信号传导等，因此机体对内环境中的质子感知特别重要。氢作为宇宙最基本的元素，氢离子/质子也是自然界最小的配体，目前已经发现细胞外的质子能激活许多离子通道，例如酸敏感离子通道ASIC（acid-sensing ion channel）、氯离子通道、双孔钾通道、瞬时受体电位通道TRP（transient receptor potential）家族成员和酸味感知通道OTOP1（Otopetrin 1）。有意思的是，作为另一大类的细胞膜蛋白，G蛋白偶联受体（GPCR）也能够检测细胞外pH（反映质子浓度）的变化而触发细胞内的信号传导，发挥感知微环境酸化的细胞传感器的作用。这类GPCR被称为质子感应GPCR，包括G蛋白偶联受体4（GPR4）、T细胞死亡相关基因8（GPR65/TDAG8）和卵巢癌G蛋白偶联受体1（GPR68 /OGR1)等。然而，质子与质子感应GPCR受体的相互作用机制还不清楚。此外，生活在不同生存环境中的动物，其体内质子浓度各异，那么不同物种的质子感应GPCR同源受体又是如何精确感知物种特异浓度的质子？为了回答上述科学问题，山东大学基础医学院孙金鹏教授团队、杨帆教授团队、张鹏举教授团队、易凡教授团队联合四川大学邓成教授团队，选取了不同生存环境和呼吸模式的两种动物——爪蟾和小鼠，分析了它们的GPR4同源受体感知质子的分子机制的异同。相较于小鼠血液pH（7.30-7.50），爪蟾血液的pH偏酸（7.22-7.31），提示爪蟾血液中质子浓度更高，这可能与爪蟾的水生生活习性相关。与此相应，研究团队发现爪蟾GPR4具有独特的pH激活曲线，其激活的最适pH与小鼠GPR4相比偏酸。随后，研究人员解析了小鼠GPR4和爪蟾GPR4在不同pH条件下的复合物结构，阐明了质子化诱导爪蟾和小鼠GPR4激活的共同基础，另外还解析了爪蟾GPR4被激活后独特的传递机制。该研究通过对不同物种GPR4的演化分析，发现有两个组氨酸在不同物种中十分保守，从4.62亿年前就一直存在，进一步通过生化实验分析发现这两个组氨酸是介导不同物种GPR4激活的共同基础。这为理解不同物种中的质子感知GPCR如何进化以适应它们的生活方式提供了分子基础。该研究促进人们了解质子感知受体GPR4的pH传感及其信号转导过程，为GPCR介导质子感知提供了机制解析，有助于更详细地破译质子感知受体的生物学作用，为设计对生理pH变化不敏感的功能受体变体奠定基础，并且有利于评估GPCR的pH传感在多样化模型和系统中的影响和重要性。H+感受决定CO2耐受，呼吸作为动物最基本的生命现象，人们对于解析其调控规律这一重大科学问题的兴趣与渴望由来已久。呼吸调节包括化学调节和神经调节两种主要方式。血液中的氧气浓度、CO2浓度和酸碱平衡等化学因素均可以调控呼吸的频率和深度，但是其化学感受的本质机理尚不明确。此外，在进化过程中不同种类动物栖息环境的不同，导致不同动物对体内CO2的耐受能力千差万别。比如，非洲爪蟾类动物可以长时程潜水，期间不进行呼吸，体内CO2大量堆积，但是非洲爪蟾能够耐受CO2的体内环境，而大部分动物却不能承受体内过多的CO2蓄积，这是否与不同动物体内化学感受器的不同有关更不清晰。近日，孙金鹏团队联合邓成团队和易凡团队，对非洲爪蟾和小鼠体内的质子（H+）感受器GPR4受体的分子机制进行了报道。该研究详细阐述了两种动物H+感受器GPR4受体的分子结构基础，明确了非洲爪蟾能够耐受酸性6.0-6.6 pH环境的生理基础。并进一步指出，此类动物具有不同的CO2耐受能力是通过H+感受器GPR4受体在呼吸中枢和血管同时进行调节，允许该类动物能够长时间潜行水下。而小鼠等大部分动物对体内CO2不耐受，是因为其体内的H+感受器GPR4受体对血液中酸碱程度的高敏感性维持在pH 6.8-7.2之间，导致动物不能耐受大量的CO2堆积，而是通过呼吸频率和深度等调节来维持血液的酸碱平衡。至此，这一研究从分子结构和功能层次完美诠释了H+感受如何决定CO2耐受的本质机理，并揭示了动物进化过程中为适应环境而演进出的独特感受机制，同时为未来研究临床呼吸调控、运动员低氧训练等诸多领域开辟了全新方向。[1] X. Wen, P. Shang, H.D. Chen, L.L. Guo, N.K. Rong, X.Y. Jiang, X. Li, J.Y. Liu et al., Evolutionary study and structural basis of proton sensing by Mus GPR4 and Xenopus GPR4. Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2024.12.001[2] M.K. Howard, N. Hoppe, X.P. Huang, D. Mitrovic et al., Molecular basis of proton sensing by G protein-coupled receptors. Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2024.11.036本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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